Физический закон

Законы термодинамики

Британский физик и писатель Ч. П. Сноу однажды сказал, что неученый, который не знал второго закона термодинамики, был как ученый, который никогда не читал Шекспира

Нынче известное заявление Сноу подчеркивало важность термодинамики и необходимость даже людям, далеким от науки, знать его

Термодинамика — это наука о том, как энергия работает в системе, будь то двигатель или ядро Земли. Ее можно свести к нескольким базовым законам, которые Сноу обозначил следующим образом:

Вы не можете выиграть. Вы не избежите убытков. Вы не можете выйти из игры.

Давайте немного разберемся с этим. Говоря, что вы не можете выиграть, Сноу имел в виду то, что поскольку материя и энергия сохраняются, вы не можете получить одно, не потеряв второе (то есть E=mc²). Также это означает, что для работы двигателя вам нужно поставлять тепло, однако в отсутствии идеально замкнутой системы некоторое количество тепла неизбежно будет уходить в открытый мир, что приведет ко второму закону.

Второй закон — убытки неизбежны — означает, что в связи с возрастающей энтропией, вы не можете вернуться к прежнему энергетическому состоянию. Энергия, сконцентрированная в одном месте, всегда будет стремиться к местам более низкой концентрации.

Наконец, третий закон — вы не можете выйти из игры — относится к абсолютному нулю, самой низкой теоретически возможной температуре — минус 273,15 градуса Цельсия. Когда система достигает абсолютного нуля, движение молекул останавливается, а значит энтропия достигнет самого низкого значения и не будет даже кинетической энергии. Но в реальном мире достичь абсолютного нуля невозможно — только очень близко к нему подойти.

Графен – самый прочный материал на Земле

Самым прочным материалом на Земле является графен. Он в 30 раз прочнее стали! Лист графена площадью в 1 м2 и толщиной всего лишь в один атом способен удерживать предмет массой 4 кг. Графен как салфетку можно сгибать, сворачивать растягивать. Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит, известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно – 10-15 лет назад. Графен был найден Константином Новосёловым и Андреем Геймом, работающими в университете Манчестера, за что русские ученые были удостоены Нобелевской премии. А получили они его очень просто – отшелушиванием обычного графита с помощью скотча, пока не получили слой толщиной всего в один атом.

Лист графена площадью в 1 квадратный метр и толщиной всего 1 атом удерживает предмет массой 4 килограмма

Металл, который плавится в руке – Галлий

Галлий – это металл, который приходить в жидкое состояние при температуре 29С. То есть, взяв его в руку, через несколько секунд вы обнаружите в ладони теплую лужицу. Этот металл весьма похож на ртуть. Удивительно то, что, если поместить кусок Галлия в стакан горячей жидкостью, он растворится прямо у вас на глазах. Другим свойством Галлия является особое воздействие на алюминий – в контакте с ним тот становиться крайне хрупким и ломким. Но есть от Галлия и польза – его иногда используют в термометрах.

Галлий – хоть и металл, но способен расплавиться прямо у вас в руке, а в горячей воде он и вовсе растворится

Законы физики в жизни человека примеры. Зачем мне эта дурацкая физика? А вот зачем!

Самая распространенная жалоба школьника на трудность предмета звучит так: “Зачем мне эта дурацкая …. (тут можно поставить что угодно – физику, математику, историю, биологию), если я не собираюсь заниматься ей после школы?!”

Действительно, а нужно ли бедному ребеночку зубрить формулы и разбираться с законами Ньютона и Фарадея? Может, ну ее, эту пакость, займемся лучше чем-то интересным? Удивительно, но многие взрослые и сами не понимают, зачем учили физику в школе и искренне не видят связи между этой занимательной наукой и повседневной жизнью. Давайте же найдем эту связь!

Представьте себе свой обычный день. Вот вы встали с кровати, потянулись и посмотрели в зеркало. И законы физики заработали прямо с началом вашего дня!

Движение, отражение в зеркале, гравитация, которая заставляет вас идти по земле, а воду течь в раковину, а не вам в лицо, сила, которая требуется для того, чтобы поднять сумку или открыть дверь – все это физика .

Обратите внимание на лифт, легко и быстро поднимающий вас на нужный этаж, автомобиль или другой транспорт, компьютеры, планшеты и телефоны. Без физики все это никуда бы не поехало, не включилось и не заработало

Развитие физики можно приравнять к прогрессу.

Сначала люди поняли законы оптики и изобрели простые очки , чтобы те, кто плохо видит, могли лучше ориентироваться, читать и писать. А затем на свете появились микроскопы , с помощью которых ученые сделали невероятные открытия в таких областях, как биология и медицина. И телескопы , в которые астрономы увидели планеты, звезды и целые галактики и смогли сделать выводы об устройстве Вселенной. Каждое открытие в физике помогает человечеству сделать новый шаг вперед.

Хорошо, скажете вы. Но ведь для всего перечисленного, для всех этих открытий и разработок существуют физики. То есть люди, сознательно выбравшие именно эту науку своей основной профессией. Причем же здесь остальные, да еще и гуманитарии? Им-то на что эти знания, если можно просто прочитать инструкцию к своему телефону и этого будет достаточно для его использования?

Мы уже писали, что в каждом гуманитарии может обнаружиться и технарь , но кроме этого, приведем несколько примеров из повседневной жизни, когда базовое знание физики может пригодиться каждому. Причем, разберем только один раздел физики, практически полностью созданный Исааком Ньютоном, — механику.

Теория Большого Взрыва

Если и стоит знать хотя бы одну научную теорию, то пусть она объяснит, как вселенная достигла нынешнего своего состояния (или не достигла, если опровергнут). На основании исследований, проведенных Эдвином Хабблом, Жоржем Леметром и Альбертом Эйнштейном, теория Большого Взрыва постулирует, что Вселенная началась 14 миллиардов лет назад с массивного расширения. В какой-то момент Вселенная была заключена в одной точке и охватывала всю материю нынешней вселенной. Это движение продолжается и по сей день, а сама вселенная постоянно расширяется.

Теория Большого Взрыва получила широкую поддержку в научных кругах после того, как Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили космический микроволновый фон в 1965 году. С помощью радиотелескопов два астронома обнаружили космический шум, или статику, которая не рассеивается со временем. В сотрудничестве с принстонским исследователем Робертом Дике, пара ученых подтвердила гипотезу Дике о том, что первоначальный Большой Взрыв оставил после себя излучение низкого уровня, которое можно обнаружить по всей Вселенной.

Законы ньютона простым языком

Законы Ньютона — это три важнейших закона классической механики, которые позволяют записать уравнения движения для любой механической системы, если известны силы, действующие на составляющие её тела.

Эти законы, естественно, сформулировал сэр Исаак Ньютон в 1687 году в книге «Математические начала натуральной философии».

В ньютоновском изложении механики эти законы являются аксиомами, базирующимися на обобщении экспериментальных результатов, то есть уже не требуют доказательства в настоящее время.

Первый закон Ньютона

Если на тело нет внешних воздействий, то это тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения по горизонтали относительно Земли.

Смысл Закона заключался в том, что он полностью совпадает с Законом инерции Галилео Галилея! Соответственно, если для этой системы отсчёта выполняется Первый закон Ньютона, то такая система отсчёта и называется инерциальной. А инерция — это и есть свойство тела оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного/прямого движения в отсутствие внешних воздействий.

Для примера полетим в далёкий-далёкий космос. Там почти нет никаких воздействий других тел. Вынем из кармана скафандра мячик и оставим его. Он не будет двигаться, то есть останется в состоянии покоя.

А теперь толкнём его, придадим импульс — и мячик плавно полетит в одном, прямом направлении, то есть перейдёт в состояние равномерного прямолинейного движения.

На Земле действует сила тяготения планеты, поэтому данный закон реализуем в нашей природе условно.

Второй закон Ньютона

Ускорение тела прямо пропорционально действующей на тело силе и обратно пропорционально массе этого тела.

Формула Закона: a = F / m, где а — ускорение, m — масса тела, F — сила, действующая на тело.

Смысл Закона в том, что сила, действующая на тело создаёт ускорение этого тела. Следовательно, чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно получит от действия данной (такой же) силы.

Для примера можно взять два человека, спускающихся со склона на лыжах. На каждого из них действует две силы. Тот лыжник, что тяжелее, будет медленнее спускаться при одинаковом пинке каждому из них! ))) Если мы хотим, чтобы оба лыжника спускались с одной скоростью, то более тяжёлого человека надо подтолкнуть сильнее. На сколько сильнее? На сколько он тяжелее — на 10%, 20% или 30%.

Третий Закон Ньютона

Пусть одно тело действует на данное тело с силой F1, тогда данное тело действует на первое тело с силой F2, равной по модулю силе F1 и противоположной по направлению.

Формула Закона: F1 = -F2

Смысл Закона в том, что каждому действию есть противодействие.

Для примера два бильярдных (пластиковых) шара на столе. Подтолкнём один из них в направлении второго. При столкновении первый шар изменит и скорость, и направление, а второй покатится в направлении, обратном точке удара по нему.

Первый шар изменил направление и скорость при столкновении со вторым шаром из-за того, что то воздействовал на него, то ест произвёл противодействие.

Вот и все сложности! Ничего сложного.

Закон ментальности: все ментально, Вселенная ментальна

Принцип: Вселенная сама по себе есть ментальное творение. Бог или ментальное Все, творит жизнь мыслью. Человек способен создать Вселенную в собственном разуме. Всюду действуют одни и те же законы – законы разума.

Интерпретация: Если все в мире создано и состоит из одной энергии, то мы связаны со всем на этой планете. Все взаимосвязано и мы не можем отделять себя от других людей или от окружающей среды. Испытывая ненависть к кому-то, мы тем самым уничтожаем сами себя так как приводим в движение силу, которая обрушивается на нас самих. Так же с любовью – положительный посыл возвращается к нам. Позитивно настроенные люди добиваются в жизни намного большего, чем пессимисты.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Расширение теории относительности Эйнштейна рассказало нам больше о том, как работает Вселенная, и помогло заложить основу для квантовой физики, что привело к совершенно неожиданному конфузу теоретической науки. В 1927 году осознание того, что все законы вселенной в определенном контексте являются гибкими, привело к ошеломительному открытию немецкого ученого Вернера Гейзенберга.

Постулируя свой принцип неопределенности, Гейзенберг понял, что невозможно одновременно знать с высоким уровнем точности два свойства частицы. Вы можете знать положение электрона с высокой степенью точности, но не его импульс, и наоборот.

Позже Нильс Бор сделал открытие, которое помогло объяснить принцип Гейзенберга. Бор выяснил, что электрон обладает качествами как частицы, так и волны. Концепция стала известна как корпускулярно-волновой дуализм и легла в основу квантовой физики. Поэтому, когда мы измеряем положение электрона, мы определяем его как частицу в определенной точке пространства с неопределенной длиной волны. Когда мы измеряем импульс, мы рассматриваем электрон как волну, а значит можем знать амплитуду ее длины, но не положение.

Гелий-2 и новое явление – сверхтекучесть

Сам по себе Гелий уже уникален. Это единственный газ, который сжижается при самой низкой температуре в -269С. И ещё, при дальнейшем охлаждении он сохраняет жидкое состояние, хотя все остальные вещества на Земле становятся твердыми. Но и это ещё не все. В 1937 году известный советский учёный Пётр Леонидович Капица провел несколько интересных экспериментов. Они показали, что при температуре ниже -271С жидкий гелий приобретает способность течь без какого-либо трения. Это явление было названо сверхтекучестью. Например, если взять микроскопическую щель, в которую вода будет протекать долгие годы, гелий пройдет через нее за считанные секунды. Это удивительное вещество получило название Гелий-2. Другая сверхспособность гелия-2 – быстро образовывать пленки на твердой поверхности. Пленки любой обычной жидкости совсем тонкие и медленно распространяются по поверхности из-за сильной вязкости. У гелий-2 вязкости вообще нет, поэтому этот процесс протекает в сотни раз быстрее. Примерная скорость – 20 см в секунду.

Электричество

Открывает юным ученым интересные основные законы физики 10 класс школы. В это время изучаются главные принципы природы и закономерности действия электрического тока, а также другие нюансы.

Закон Ампера, например, утверждает, что проводники, соединенные параллельно, по которым течет ток в одинаковом направлении, неизбежно притягиваются, а в случае противоположного направления тока, соответственно, отталкиваются. Порой такое же название используют для физического закона, который определяет силу, действующую в существующем магнитном поле на небольшой участок проводника, в данный момент проводящего ток. Ее так и называют – сила Ампера. Это открытие было сделано ученым в первой половине девятнадцатого века (а именно в 1820 г.).

Закон сохранения заряда является одним из базовых принципов природы. Он гласит, что алгебраическая сумма всех электрических зарядов, возникающих в любой электрически изолированной системе, всегда сохраняется (становится постоянной). Несмотря на это, названный принцип не исключает и возникновения в таких системах новых заряженных частиц в результате протекания некоторых процессов. Тем не менее общий электрический заряд всех новообразованных частиц непременно должен равняться нулю.

Закон Кулона является одним из основных в электростатике. Он выражает принцип силы взаимодействия между неподвижными точечными зарядами и поясняет количественное исчисление расстояния между ними. Закон Кулона позволяет обосновать базовые принципы электродинамики экспериментальным образом. Он гласит, что неподвижные точечные заряды непременно взаимодействуют между собой с силой, которая тем выше, чем больше произведение их величин и, соответственно, тем меньше, чем меньше квадрат расстояния между рассматриваемыми зарядами и диэлектрическая проницаемость среды, в которой и происходит описываемое взаимодействие.

Закон Ома является одним из базовых принципов электричества. Он гласит, что чем больше сила постоянного электрического тока, действующего на определенном участке цепи, тем больше напряжение на ее концах.

«Правилом правой руки» называют принцип, который позволяет определить направление в проводнике тока, движущегося в условиях воздействия магнитного поля определенным образом. Для этого необходимо расположить кисть правой руки так, чтобы линии магнитной индукции образно касались раскрытой ладони, а большой палец вытянуть по направлению движения проводника. В таком случае остальные четыре выпрямленных пальца определят направление движения индукционного тока.

Также этот принцип помогает выяснить точное расположение линий магнитной индукции прямолинейного проводника, проводящего ток в данный момент. Это происходит так: поместите большой палец правой руки таким образом, чтобы он указывал направление тока, а остальными четырьмя пальцами образно обхватите проводник. Расположение этих пальцев и продемонстрирует точное направление линий магнитной индукции.

Принцип электромагнитной индукции представляет собой закономерность, которая объясняет процесс работы трансформаторов, генераторов, электродвигателей. Данный закон состоит в следующем: в замкнутом контуре генерируемая электродвижущая сила индукции тем больше, чем больше скорость изменения магнитного потока.

Закон соответствия: как вверху так и внизу

Принцип: «Как вверху так и внизу, как внизу так и вверху» обозначает, что на духовное или неизвестное действуют те же законы, что и на плотное или известное. Изучая известное можно познать неизвестное.

Интерпретация: этот принцип лежит в основе астрологии – соответствие частей тела знакам зодиака (знак зодиака Овен соответствует голове и так далее), на этом принципе базируется и акупунктура (иглоукалывание) – уколы в определенные точки на теле стимулируют работу определенных органов человека.

Принцип соответствия обозначает, что существует взаимосвязь между нашим внутренним миром и тем, что нас окружает. Так, изменив что-то внутри себя, мы можем увидеть, как измениться и окружающая реальность.

Интерпретация: если вы считаете себя непривлекательной, хотя на самом деле вполне привлекательны, то таковой будет вас считать и противоположный пол.

Или другой пример, наверняка каждый замечал взаимосвязь между беспорядком в комнате или на рабочем столе, с беспорядком в мыслях. Но стоит убрать и расставить все по местам, как становится легче на душе и думается легче.

Общая теория относительности

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна была и остается важнейшим открытием, которое навсегда изменила наш взгляд на вселенную. Главным прорывом Эйнштейна было заявление о том, что пространство и время не являются абсолютными, а гравитация — это не просто сила, приложенная к объекту или массе. Скорее гравитация связана с тем, что масса искривляет само пространство и время (пространство-время).

Чтобы осмыслить это, представьте, что вы едете через всю Землю по прямой линии в восточном направлении, скажем, из северного полушария. Через некоторое время, если кто-то захочет точно определить ваше местоположение вы будете гораздо южнее и восточнее своего исходного положения. Это потому что Земля изогнута. Чтобы ехать прямо на восток, вам нужно учитывать форму Земли и ехать под углом немного на север. Сравните круглый шарик и лист бумаги.

Пространство — это в значительной мере то же самое. К примеру, для пассажиров ракеты, летящей вокруг Земли, будет очевидно, что они летят по прямой в пространстве. Но на самом деле, пространство-время вокруг них изгибается под действием силы тяжести Земли, заставляя их одновременно двигаться вперед и оставаться на орбите Земли.

Теория Эйнштейна оказала огромное влияние на будущее астрофизики и космологии. Она объяснила небольшую и неожиданную аномалию орбиты Меркурия, показала, как изгибается свет звезд и заложила теоретические основы для черных дыр.

Аэрогели – гели, в которых жидкая фаза замещена газообразной

Ещё есть особый класс материалов под названием “Аэрогели”. По сути, это гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Его часто называют замороженным газом. Являясь твердым веществом, аэрогели могут на 98,8% состоять из воздуха. При этом этот материал суперпрочный – он выдерживает вес, превышающий его собственный, в 4000 раз. Изобрёл это необыкновенное вещество американский химик Стивен Кистлер. Представьте, ещё в 1931 году (без малого 90 лет назад) он опубликовал в журнале Nature результаты своих первых поразительных опытов. Позже, в 60-х годах, об Аэрогелях заговорили более активно. Обладая крайне малой плотностью, аэрогель имеет супер низкую теплопроводность, а ещё он очень лёгкий – 150 блоков размером с кирпич имеют вес, равный 4,5 литрам воды. Ещё Аэрогель обладает уникальными супер изоляционными свойствами. Например, вот этот тонкий пласт может защитить цветок от открытого огня:

Барьер в виде аэрогеля способен защитить предмет от влияния открытого пламени

Самая обширная область применения аэрогеля – космос. Он активно используется аэрокосмическими агентствами как теплоизолятор.

Закон всемирного тяготения. Описание закона всемирного тяготения

Коэффициент— это гравитационная постоянная. В системе СИ гравитационная постоянная имеет значение:

Эта постоянная, как видно, очень мала, поэтому силы тяготения между телами, имеющими небольшие массы, тоже малы и практически не ощущаются. Однако движение космических тел полностью определяется гравитацией. Наличие всемирного тяготения или, другими словами, гравитационного взаимодействия объясняет, на чем «держатся» Земля и планеты, и почему они двигаются вокруг Солнца по определенным траекториям, а не улетают от него прочь. Закон всемирного тяготения позволяет определить многие характеристики небесных тел – массы планет, звезд, галактик и даже черных дыр. Этот закон позволяет с большой точностью рассчитать орбиты планет и создать математическую модель Вселенной.

С помощью закона всемирного тяготения также можно рассчитать космические скорости. Например, минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизонтально над поверхностью Земли, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите – 7,9 км/с (первая космическая скорость). Для того, чтобы покинуть Землю, т.е. преодолеть ее гравитационное притяжение, тело должно иметь скорость 11,2 км/с, (вторая космическая скорость).

Гравитация является одним из самых удивительных феноменов природы. В отсутствии сил гравитации существование Вселенной было бы невозможно, Вселенная не могла бы даже возникнуть. Гравитация ответственна за многие процессы во Вселенной – ее рождение, существование порядка вместо хаоса. Природа гравитации до сих пор до конца неразгаданна. До настоящего времени никто не смог разработать достойный механизм и модель гравитационного взаимодействия.

Физика простыми словами

Взаимодействие тел рассматривает динамика, в основе которой лежат 3 закона, носящих имя прославленного английского физика сэра Исаака Ньютона.

Первый закон Ньютона гласит: тело будет находится в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения пока и поскольку на него не подействуют другие тела. Это как раз то, о чем мы и говорили.

То есть автомобиль не может остановиться без взаимодействия колес с дорогой, с другой стороны, отсутствие этого взаимодействия не позволит неподвижному автомобилю тронутся с места, колеса будут просто напросто пробуксовывать.

Количественно взаимодействие тел в физике определяют силой — векторной физической величиной, которую принято обозначать буквой F и измерять в ньютонах.

Исходя из всего вышесказанного можно заключить, что сила является причиной изменения скорости. Но возможно ли изменение скорости тела без непосредственного действия на него сил? И казалось бы правильный ответ нет, но… Тут нужно вспомнить тот факт, что движение относительно, соответственно, очень важна система отсчета, которую мы выбрали, а что если она начнет двигаться с ускорением?

К примеру, вы решили прокатить понравившуюся девушку на своём мотоцикле, она садится сзади и относительно мотоцикла неподвижна.

Но вот вы по привычке резко трогаетесь и видите в зеркало, как девушка падает сзади на асфальт со словами: «чтоб я еще когда нибудь…!!!!» Или другой пример, опять же с мотоциклом: вы едите по дороге, и вдруг вам под колёса выскакивает собака, вы пытаетесь резко затормозить и, немного перестаравшись с передним тормозом, летите через руль прямиком к этой злосчастной собаке.

В обоих примерах, если брать мотоцикл за тело отсчета, и рассматривать движение относительно его, вы не обнаружите сил, которые действуют на вас или вашу девушку, вызывая изменение скорости.

Поэтому когда говорят о первом законе Ньютона, уточняют, что он справедлив для инерциальных систем отсчета, то есть систем, относительно которых тело сохраняет свою скорость при отсутствии на него воздействий внешних сил, ну или при их взаимной компенсации.

Если же система отсчета движется с ускорением, то она неинерциальная. Понятно? Нет. Идем дальше.

Второй закон Ньютона позволяет нам определить как же изменяется скорость при взаимодействии тел, или, проще говоря, позволяет найти ускорение. Давайте попробуем разобраться и вывести этот закон.

От чего же зависит ускорение? Если мы пинаем футбольный мяч, то скорость полета мяча напрямую зависит от силы удара — чем сильнее пинаем тем быстрее летит, соответственно, ускорение будет напрямую зависеть от приложенной силы. И с другой стороны, если вместо мяча с той же силой пнуть любимую папину гирю… В общем, ускорение будет обратно пропорционально массе тела.

Чем масса больше, тем труднее изменить скорость тела. Поэтому иногда говорят, что масса является мерой инертности тела, то есть характеризует его способность сохранять скорость постоянной.

Если собрать все вместе можно сформулировать второй закон Ньютона следующим образом: ускорение прямо пропорционально силе приложенной к телу и обратно пропорционально его массе.

Часто этот закон можно встретить в другой интерпретации: сила, действующая на тело, равна произведению его массы и ускорения.

Третий закон Ньютона определяет силы, с которыми тела взаимодействуют друг с другом. Как вы думаете, зачем боксерам перчатки? Наиболее часто встречаются два варианта ответа. Первый, чтоб не травмировать свои руки, и второй, чтоб излишне не травмировать противника. В принципе, оба ответа верны.

Согласно третьему закону Ньютона, если мы действуем на какое-либо тело с силой F, то это тело будет действовать на нас с той же по модулю силой, но обратной по направлению:

Или как еще говорят, сила действия равна силе противодействия.