Изменяется ли вес цилиндра при погружении его в воду

Гениальный учёный Архимед, живший в древнегреческих Сиракузах в III веке до нашей эры, прославился среди современников как создатель оборонительных машин, способных перевернуть боевой корабль. Другое его изобретение, «Архимедов винт», по сей день остаётся важнейшей деталью гигантских буровых установок и кухонных мясорубок. Мир обязан Архимеду революционными открытиями в области оптики, математики и механики.

Его личность окутана легендами, порой весьма забавными. С одной из них мы и начнём нашу статью.

Видео:Вес телаСкачать

«Эврика!» Открытие закона Архимеда

Однажды царь Сиракуз Гиерон II обратился к Архимеду с просьбой установить, действительно ли его корона выполнена из чистого золота, как утверждал ювелир. Правитель подозревал, что мастер прикарманил часть драгоценного металла и частично заменил его серебром.

В те времена не существовало способов определить химический состав металлического сплава. Задача поставила учёного в тупик. Размышляя над ней, он отправился в баню и лёг в ванну, до краёв наполненную водой. Когда часть воды вылилась наружу, на Архимеда снизошло озарение. Такое, что учёный голышом выскочил на улицу и закричал «Эврика!», что по-древнегречески означает «Нашёл!».

Он предположил, что вес вытесненной воды был равен весу его тела, и оказался прав. Явившись к царю, он попросил принести золотой слиток, равный по весу короне, и опустить оба предмета в наполненные до краёв резервуары с водой. Корона вытеснила больше воды, чем слиток. При одной и той же массе объём короны оказался больше, чем объём слитка, а значит, она обладала меньшей плотностью, чем золото. Выходит, царь правильно подозревал своего ювелира.

Так был открыт принцип, который теперь мы называем законом Архимеда:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела.

Эта выталкивающая сила и называется силой Архимеда.

Видео:Закон АрхимедаСкачать

Формула силы Архимеда

На любой объект, погружённый в воду, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, вес объекта, погружённого в воду, будет отличаться от его веса в воздухе в меньшую сторону. Разница будет равна весу вытесненной воды.

Чем больше плотность среды — тем меньше вес. Именно поэтому погрузившись в воду, мы можем легко поднять другого человека.

Выталкивающая сила зависит от трёх факторов:

• плотности жидкости или газа (p);
• ускорения свободного падения (g);
• объёма погружённой части тела (V).

Сопоставив эти данные, получаем формулу:

Видео:Урок 63 (осн). Закон АрхимедаСкачать

Как действует сила Архимеда

Поскольку сила Архимеда, действующая на тело, зависит от объёма его погружённой части и плотности среды, в которой оно находится, можно рассчитать, как поведёт себя то или иное тело в определённой жидкости или газе.

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Если плотности тела и жидкости или газа равны — тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа.

Если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа, — оно уйдёт на дно.

Сила Архимеда в жидкости: почему корабли не тонут

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет.

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган — плавательный пузырь.

На тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу.

Но чтобы поднять корабль на поверхность, необходимо уменьшить его плотность. Разумеется, воздух в получившем пробоину корпусе не удержится. Поэтому его заполняют каким-нибудь лёгким веществом, например, шариками пенополистирола.

Примечательно, что эта идея впервые пришла в голову не учёным, а авторам диснеевского комикса, в котором Дональд Дак таким образом поднимает со дна яхту Скруджа Макдака. Датский инженер Карл Кройер (Karl Krøyer), впервые применивший метод на практике, по собственному признанию вдохновлялся «Утиными историями».

Сила Архимеда в газах: почему летают дирижабли

В воздухе архимедова сила действует так же, как в жидкости. Но поскольку плотность воздуха обычно намного меньше, чем плотность окружённых им предметов, выталкивающая сила оказывается ничтожно мала.

Впрочем, есть исключения. Воздушный шарик, наполненный гелием, стремится вверх именно потому, что плотность гелия ниже, чем плотность воздуха. А если наполнить шар обычным воздухом — он упадёт на землю. Плотность воздуха в нём будет такая же, как у воздуха снаружи, но более высокая плотность резины обеспечит падение шарика.

Этот принцип используется в аэростатах — воздушные шары и дирижабли наполняют гелием или горячим воздухом (чем горячее воздух, тем ниже его плотность), чтобы подняться, и снижают концентрацию гелия (или температуру воздуха), чтобы спуститься. На них действует та же выталкивающая сила, что и на подводные лодки. Именно поэтому перемещения на аэростатах называют воздухоплаванием.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72021 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается архимедова сила.

Видео:Архимедова сила | Физика 7 класс #37 | ИнфоурокСкачать

Когда сила Архимеда не работает

• Если тело плотно прилегает к поверхности. Если между телом и поверхностью нет жидкости или газа — нет и выталкивающей силы. Именно поэтому подводным лодкам нельзя ложиться на илистое дно — мощности их двигателей не хватит, чтобы преодолеть давление толщи воды сверху.
• В невесомости. Наличие веса у жидкости или газа — обязательное условие для возникновения архимедовой силы. В состоянии невесомости горячий воздух не поднимается, а холодный не опускается. Поэтому на МКС создают принудительную конвекцию воздуха с помощью вентиляторов.
• В растворах и смесях. Если в воду налить спирт, на него не будет действовать сила Архимеда, хотя плотность спирта меньше плотности воды. Поскольку связь между молекулами спирта слабее, чем связь молекул воды, он растворится в воде, и образуется новая жидкость — водный раствор спирта.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Попробовать бесплатно

Интересное по рубрике

Найдите необходимую статью по тегам

Подпишитесь на нашу рассылку

Мы в инстаграм

Домашняя онлайн-школа
Помогаем ученикам 5–11 классов получать качественные знания в любой точке мира, совмещать учёбу со спортом и творчеством

Посмотреть

Рекомендуем прочитать

Реальный опыт семейного обучения

Звонок по России бесплатный

Если вы не нашли ответ на свой вопрос на нашем сайте, включая раздел «Вопросы и ответы», закажите обратный звонок. Мы скоро свяжемся с вами.

Видео:Опыты по физике. Закон АрхимедаСкачать

Парадокс закона Архимеда

Существуют две разные формулировки закона Архимеда: «выталкивающая сила равна весу жидкости в объёме погружённой части тела» и «выталкивающая сила равна весу вытесненной телом жидкости». На первый взгляд кажется, что эти формулировки эквивалентны, ведь объём вытесненной жидкости равен погружённому объёму. Но на самом деле это абсолютно неверно. Чтобы понять почему, взглянем на рисунок.

В стакан с водой мы опускаем кубик льда. Красной пунктирной линией обозначен старый уровень воды, жёлтой — новый. Зелёным заштрихован вытесненный объём, фиолетовым — погружённый, а оранжевым — тот объём льда, который погружён ниже красной линии. Поскольку вода несжимаема, ясно, что зелёный объём равен оранжевому. Но как видно из рисунка, оранжевый объём является частью фиолетового. Фиолетовый объём намного больше оранжевого. А поскольку оранжевый равен зелёному, фиолетовый больше зелёного. Это означает, что погружённый объём больше вытесненного.

Нетрудно понять, что объём погружённой части всегда будет больше или равен вытесненному. Ведь вытесненный объём равен тому объёму тела, который погружён ниже старого уровня жидкости, а он, в свою очередь, является частью общего погружённого объёма. Значит, вытесненный объём будет равен погружённому только в том случае, когда вся погружённая часть тела находится ниже старого уровня жидкости.

Но если погружённый и вытесненный объёмы не равны, возникает вопрос: какая же формулировка закона Архимеда верна? Чтобы ответить на него, вспомним, как выводится закон Архимеда.

Вернёмся ко льду в воде. Пусть он погружён на глубину h. В любой точке на этой глубине давление равно ρgh, где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — глубина. По закону Паскаля давление передаётся без изменений во всех направлениях. Таким образом, это давление жидкость оказывает на нижнюю грань кубика. Пусть её площадь равна S. Тогда сила давления на нижнюю грань кубика равна ρghS = ρgV, где V — объём погружённой части кубика (V = hS). Эта сила и есть выталкивающая. Таким образом, получается, что выталкивающая сила равна весу жидкости в объёме погружённой части тела, а вовсе не весу вытесненной жидкости.

Из всего вышесказанного также следует, что водоизмещение корабля совсем не обязательно будет равно его массе (если под водоизмещением мы подразумеваем массу вытесненной воды). Поскольку корабль не тонет, сила тяжести, действующая на него, равна силе архимеда:

mg = ρgV (m — масса корабля, g — ускорение свободного падения, ρ — плотность воды, V — погружённый объём).

Разделив это уравнение на g, получим

Обозначим объём вытесненной воды как Vвыт. Поскольку

Но ρVвыт — это масса вытесненной воды, то есть, водоизмещение. Следовательно, водоизмещение меньше или равно массе корабля.

Читайте также: Сечение проходящее параллельно основаниям цилиндра является

Ситуацию, когда водоизмещение меньше массы корабля, проще всего наблюдать, когда корабль плавает в тесном доке. Даже если масса воды в доке меньше массы корабля, он всё равно не будет касаться дна, несмотря на то, что не будет вытеснять воду с массой, равной своей.

заполни изначально стакан до краев, чтобы жидкость выливалась, и не еби мозг

Но если погружённый и вытесненный объёмы не равны,

Кто тебе сказал, что они не равны?

«Поскольку вода несжимаема, ясно, что зелёный объём равен оранжевому. Но как видно из рисунка, оранжевый объём является частью фиолетового. Фиолетовый объём намного больше оранжевого. А поскольку оранжевый равен зелёному, фиолетовый больше зелёного. Это означает, что погружённый объём больше вытесненного.»

Зачем ты написал эту хуйню?

Или ты правда в нее веришь?

Даже если масса воды в доке меньше массы корабля, он всё равно не будет касаться дна

«На первый взгляд кажется, что эти формулировки эквивалентны, ведь объём вытесненной жидкости равен погружённому объёму. Но на самом деле это абсолютно неверно. Чтобы понять почему, взглянем на рисунок.»

Если я нарисую автора с тремя руками, это будет доказательством наличия у него трех рук?

Неправильно уже первое утверждение «Поскольку вода несжимаема, ясно, что зелёный объём равен оранжевому». Дальше эту куету не читал.

Тело, впихнутое в воду, выпирает на свободу с силой выпертой воды телом, впихнутым туды.)

Вот ещё более интересная задачка про погружаемое тело и высоту столба жидкости вокруг него, Вам однозначно погравится https://zen.yandex.ru/media/id/5e4f1d8670d2aa13e1bf7948/oche.

Автор! Я понял, в чём дело! Ваш парадокс — это всё ещё говно! Кубик то будет ВСПЛЫВАТЬ ВМЕСТЕ С ПОДЪЁМОМ ВОДЫ.

Иначе получится неприятный казус. Вода должна подняться, но при поднятии ещё больший объём погружается воду, значит вода должна ещё чуть подняться; и так до того момента, пока весь предмет не будет погружён в воду! Приходим к выводу, что ни один предмет не может всплыть из воды, что неверно!

Полная чушь. Представьте себе (Вы же позволили себе доказывать рисунком!), что Вы не сверху погружаете кубик, а мгновенно в центр сосуда, причём объём моего кубика будет равен объёму погруженного Вашего. Суть эксперимента не изменится, верно? «Поскольку вода несжимаема, ясно. «. Ясно, что разность уровней, умноженная на площадь дна сосуда будет объёмом вытесненной воды, а также объёмом кубика. Под действием силы Архимеда он будет всплывать, но я буду удерживать его верхнюю грань внешней силой так, чтобы она касалась поверхности воды. Далее я положу на его верхнюю грань оставшуюся часть кубика, так чтобы сила тяжести, действующая на него, уравновесила силу Архимеда, и мгновенно перестану действовать внешней силой. Вуаля, Ваш «парадокс» — говно.

Видео:Лабораторная работа №8 Определение выталкивающей силы, действующей на погружённое в жидкость телоСкачать

Проблема Больцмановского мозга и как она появилась

Кратко и без лишних усложнений расскажу о так называемой «проблеме Больцмановского мозга». В 19 и в начале 20 века превалировала парадигма, согласно которой Вселенная существовала и будет существовать вечно. Тогда же уже знали о началах термодинамики и об энтропии, и эти знания приводили к интересным следствиям – оказывается, что Вселенная не могла существовать вечно, иначе в ней не появились бы люди, планеты, звезды и т.д. Почему? Давайте проведем простой мысленный эксперимент, который позволит интуитивно понимать в чем дело. Представим себе стол для бильярда и пока еще не разбитые шары. Обозначим, что в таком состоянии некая «энтропия», обозначаемая буквой S, равна некоторому неизвестному значению х. Не важно, что это за значение. Допустим, что трение шаров о поверхность стола нулевое, а столкновения шаров — абсолютно упругие, короче, что энергия в этой системе сохраняется и никуда не рассеивается. А теперь разбиваем шары. Интуитивно понятно, что при таких условиях по истечению некоторого времени все шары начнут двигаться примерно с одинаковой скоростью, если быть точным – кинетическая энергия шаров будет колебаться вокруг некоторого среднего значения и очень редко будет как-то сильно отклоняться от этого среднего значения.

Это происходит из-за закона сохранения импульса – один шар передает энергию остальным шарам, сталкиваясь таким образом много раз, они в результате выравнивают свои скорости. В такой системе S, то есть энтропия – максимальна, больше быть не может. Давайте представим, что шары — это молекулы идеального газа, заключенные в некотором объеме, то есть находятся в закрытой системе и энергия оттуда никуда не девается, а сохраняется.

Если все молекулы достигают одинаковой скорости (точнее температура этой изолированной системы почти стабильна, колеблется вокруг некоторого среднего значения), то такая система находится в термодинамическом равновесии. Именно в термодинамическом равновесии энтропия максимальна (в изолированных системах, т.е. в нашем случае). Я специально не буду детально рассказывать об энтропии, в рамках этой статьи я вас только запутаю, понятнее не станет. Скажу упрощенно: энтропия — это мера близости состояния системы к термодинамическому равновесию. На самом деле, понятие энтропии более широкое, но в рамках этого видео нам достаточно знать, что при термодинамическом равновесии в изолированных системах, энтропия — максимальна.

У ученых есть множество оснований полагать, что время движется в сторону максимальной энтропии, в сторону термодинамического равновесия. Обычно это называют более общим и понятным словом — будущее. А вообще, вопрос “куда движется время” это одна из нерешенных проблем физики, но не будем углубляться в эту тему.

Допустим, что время движется именно в сторону максимальной энтропии. Что это значит для нашей Вселенной? Опять же, многое указывает на то, что в будущем наступит состояние с максимальной энтропией, термодинамическое равновесие, когда все частицы барионной материи будут двигаться почти с одинаковой скоростью. А Вселенная мало того, что и так огромная, так еще и расширяется, в общем скорость этих самых частиц будет практически нулевая, будет колебаться возле абсолютного нуля. Такое состояние еще называют «Тепловой смертью Вселенной». Существуют аргументы против того, что это произойдет, но опять же, не буду начинать все перечислять.

Итак, в чем же проблема с энтропией и вечной Вселенной. Если бы Вселенная была вечной, то мы бы не наблюдали таких объектов как, например, звезды, туманности и тем более жизнь, ведь все температуры уравнялись бы, было бы состояние термодинамического равновесия, то есть максимальной энтропии.

Так вот, в конце 19 века стоял вопрос. Если Вселенная вечна, то почему она не находится в состоянии с максимальной энтропией, почему не все имеет одинаковую температуру, ведь неизбежно температуры должны были уравняться за бесконечный промежуток времени, что следовало из законов термодинамики.

Получается такой вот парадокс. Подумайте, как бы вы его разрешили.

Некий физик, Людвиг Больцман, предложил аж два решения и надо отдать ему должное – додуматься до такого в те времена (19 век) было необычайно умно.

Что же он предложил? Одно из решений заключалось в том, что Вселенная начала свое существование с состояния с низкой энтропией. Другими словами, она была очень горячей в недалеком прошлом и понемногу постепенно охлаждается.

Сейчас мы знаем, что именно так и было – Вселенная начала свое существования с очень низкой энтропией относительно недавно по сравнению с вечностью – примерно 13.8 миллиардов лет назад (это один из нетривиальных способов доказать Большой Взрыв). У нас даже есть фотографии той горячей эпохи.

Вот, например, фотография Вселенной примерно 400 тысяч лет после Большого Взрыва, когда она имела температуру около 3000 кельвинов (2726 °C). Казалось бы, что тогда наоборот термодинамическое равновесие было больше и соответственно энтропия больше, чем сейчас, но это не так. Второе объяснение Больцмана более необычное. Он предположил, что да, Вселенная существовала вечно и в ней вечно было термодинамическое равновесие, максимальная энтропия, в общем практически везде одинаковая, холодная Вселенная. Но Больцман пошел дальше и высказал гипотезу, что атомы, наполняющие эту Вселенную, в ходе хаотических флуктуаций случайно собрались таким невероятным образом, что в итоге в одной части Вселенной случайно появилось все то, что мы наблюдаем: планеты, звезды, туманности и так далее.

Казалось бы, что это полнейший бред, такого произойти не может. Но на самом деле нет. В вечной Вселенной такое событие произойдет бесконечное количество раз – из хаоса появятся структуры любой сложности, но чем более сложная структура, тем меньшая вероятность ее случайного появления. Просто бесконечность, да и вообще очень большие или очень маленькие числа для нас неинтуитивны.

Существует очень известная «теорема о бесконечных обезьянах», которая утверждает, что абстрактная обезьяна, ударяя случайным образом по клавишам пишущей машинки в течение неограниченно долгого времени, рано или поздно напечатает любой наперёд заданный текст.

В общем, если событие имеет сколь угодно малую вероятность, то за бесконечное количество времени это событие произойдет с вероятностью 100%. Приведу еще примеры. Если на бильярдном столе шары будут двигаться вечно, то за бесконечное количество времени они случайно хотя бы на момент создадут любой возможный узор из шаров, хотя понятно, что такие события маловероятны, большинство времени они будут просто хаотически двигаться.

Представим, что мы заключили газ в какой-то коробке, можете представить, что ваша комната и воздух в ней являются такой коробкой с газом и что эта система (система из газа в коробке), является изолированной – то есть не может обмениваться энергией с внешним миром.

Газ в коробке будет стремиться к максимальной энтропии, к термодинамическому равновесию, что выглядит как хаотическое равномерное движение всех частиц, но существует шанс, мизерный, что газ случайно соберется на одной стороне коробки. Энтропия такой системы уменьшится, но ненадолго, газ опять быстро достигнет термодинамического равновесия.

За бесконечное количество времени произойдет бесконечное количество таких событий – газ соберется в одной стороне коробки бесконечное количество раз. Вообще, любая конфигурация, не нарушающая закон сохранения импульса и энергии произойдет в этой коробке, газ соберется в одну точку, сформирует различные фигуры, даже случайно напишет слово «энтропия» и случайно создаст микромодель, например, Солнечной Системы.

За бесконечное количество времени это все произойдет бесконечное количество раз. Больцман примерно так же рассматривал вечную Вселенную — как коробку с хаотическим газом. То, что в ней могли появиться такие структуры, как галактики, звезды, планеты и жизнь – это неизбежность за бесконечное количество времени, за вечность. Более того, в такой вечной Вселенной неизбежно произошел бы Большой Взрыв бесконечное количество раз – за вечность все частицы собрались бы в одной точке бесконечное количество раз.

Читайте также: Тормозной цилиндр ниссан альмера джи 15

Парадокс действительно можно было решить этим объяснением, но позже физики пришли к следующим выводам: вероятность появления видимой Вселенной в результате случайных тепловых флуктуаций чрезвычайно мала, речь идет о вероятностях порядка 1 до Числа Грэма. Чем менее сложная структура и с чем меньшего количества частиц она состоит, тем большая вероятность появления такой структуры в вечной Вселенной. Звезда в результате хаотического движения частиц появится с большей вероятностью, чем галактика. Планета появится с большей вероятностью, чем звезда.

Человек появится с большей вероятностью, чем планета. Мозг, осознающий себя появится с большей вероятностью, чем человек. Согласно такой логике, с большей вероятностью ты, осознающий себя, на самом деле являешься просто случайно собравшимся мозгом из частиц во Вселенной с термодинамическим равновесием, причем все твои воспоминания — это иллюзия, они тоже появились случайно. Все, что ты видишь, знаешь и наблюдаешь – тоже иллюзия, на самом деле ты лишь мозг случайно появившийся посреди хаоса.

Конечно же слово «мозг» тут употребляется для того, чтобы возникали ассоциации с сознанием, но в принципе любой случайно создавшийся объект в ходе флуктуаций при этом осознающий себя можно назвать Больцмановским мозгом. Но здравый смысл подсказывает нам, что это ни разу не так и что мы — обычные люди, с вполне реальными воспоминаниями, находящиеся в вполне реальной Вселенной. Да, действительно, здравый смысл подсказывает нам это, но если сделать некоторые допущения, то математически с намного большей вероятностью ты, осознающий себя – являешься лишь Больцмановским мозгом.

Сейчас в научных кругах проблему Больцмановских мозгов часто называют, в переводе на русский, «ложный наблюдатель» (freak observer), обычно это касается работ посвященных Мультивселенной. Если существует бесконечное число Вселенных, ну или очень большое число Вселенных с различными физическими законами, то математически большая вероятность, что во всем мультуме Вселенных больше мозгов Больцмана, а не обычных живых существ, и осознающий себя ты, опять же, с большей вероятностью это Больцмановский мозг, а не тот, кем себя представляешь.

Так в конце концов, все-таки я – Больцмановский мозг и все мои воспоминания поддельны, или нет?

Вот что я вам скажу. Этот вопрос не является принципиально опровержимым, нельзя поставить эксперимент, который опровергнет это утверждение. А принципиальная опровергаемость и постановка экспериментов – это критерии научности, в общем это не научная проблема, в это можно верить, или не верить, эмпирически проверить это нельзя. Таких принципиально не опровергаемых идей существует масса. Например, гипотеза симуляции, тут тоже, если появление жизни во Вселенной возможно, то скорей всего, более вероятно математически, мы — не первая жизнь, а симуляция, созданная более развитыми интеллигентными существами, а может даже симуляция в симуляции.

Это нельзя проверить, это не наука, в это можно верить, либо не верить, а это уже решать вам. Добавлю еще, что некоторые ученые называют проблему Больцмановского мозга глупостями, а некоторые постоянно придумывают способы как-то ее опровергнуть и привести аргументы против, да и вообще проблема Больцмановского мозга возникает только при некоторых допущениях. Не вижу смысла более глубоко раскрывать эту тему, все основное я рассказала. Моей целью было предоставить пищу для размышлений. Приятного аппетита =)

Видео:ОГЭ. Физика. "Исследование зависимости архимедовой силы от объёма погруженной части тела"Скачать

Гидростатистический парадокс)

Видео:Физика. Исследование зависимости веса тела в воде от объема погруженной в жидкость части телаСкачать

Это глобальное потепление во всем виновато

Видео:ДАВЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ на дно и стенки сосуда 7 класс физика формулаСкачать

Что такое «парадокс убитого дедушки» и как его решить

Путешествия во времени — одна из самых интригующих фантастических концепций. Но она вызывает много вопросов — как у физиков, так и у философов, — а также может привести к разным парадоксам. «Парадокс убитого дедушки» — один из них.

Концепция путешествий во времени вовсю используется в литературе и кино, вне зависимости от жанров. Зачастую в центре всех таких историй — изменения, внесенные путешественником в события прошлого, которые приводят к настоящим катастрофам в будущем. Стоит вспомнить хотя бы рассказ Рэя Брэдбери «И грянул гром».

Эта дилемма, также известная как «парадокс убитого дедушки», представляет собой главное возражение физиков и философов против путешествий во времени: возможное нарушение причинности. И хотя путешествия во времени пока лишь спекуляция, вероятные результаты нарушения принципа причинности и того, как природа может их предотвратить, — предметы горячих споров среди таких ученых, как Стивен Хокинг и Кип Торн.

Что такое «парадокс убитого дедушки»

«Парадокс убитого дедушки» представляет гипотетическую ситуацию, в которой путешественник во времени отправляется в прошлое и совершает что-то, приводящее к тому, что он никогда не существовал (обычно рассматривается случайная смерть дедушки путешественника), или к событию, которое делает его путешествие невозможным. Парадокс происходит из-за того, что этот человек никогда не рождался. А раз его никогда не было, то как он мог отправиться в прошлое и убить дедушку? Таким образом, сама идея путешествий во времени приводит к возможному нарушению причинной связи — правила, гласящего, что следствию всегда предшествует причина.

Согласно Специальной теории относительности, прошлое (причина) всегда предшествует будущему (следствию) / © Helen Klus

Давайте представим себе сценарий, в котором молодой талантливый изобретатель — назовем его Евгением — создает в 2018 году машину времени. Так как Евгений никогда не знал своего дедушку, он решает отправиться в прошлое, чтобы встретиться с ним. После тщательного исследования он выясняет, где именно находился его дедушка — все еще молодой и холостой — в 15:43, 22 ноября 1960 года. Он садится в машину времени и начинает свой путь.

К сожалению, Женя все воспринимает буквально, и, когда он выяснил, где будет его дедушка, он отправился именно в то самое место. Он «приземляется» прямо туда, где в этот момент должен находиться его дедушка… с весьма предсказуемым результатом. Проведя быстрый ДНК-тест, он понимает, что это действительно был отец его отца, садится обратно в машину и ждет своего исчезновения.

Физики и философы предлагали несколько решений парадокса. Принцип самосогласованности Новикова, разработанный в 1970-х русским физиком Игорем Дмитриевичем Новиковым («Эволюция Вселенной», 1979 год), предлагает использование геодезических линий для описания кривизны времени (примерно так описывается кривизна пространства в Общей теории относительности Эйнштейна). Эти замкнутые, подобные времени кривые не позволят нарушить какие-либо причинно-следственные связи, находящиеся на одной кривой. Принцип также предполагает, что путешествие во времени будет возможным только в области, где присутствуют эти замкнутые кривые, — например, в присутствии червоточин, как описал это Кип Торн с коллегами в статье 1988 года «Червоточины, машины времени и условие слабой энергии» (Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition). В таком случае события были бы цикличными и самосогласованными. Это, в свою очередь, подразумевает, что путешественники во времени не смогли бы изменить прошлое — будь то посредством каких-то физических преград или отсутствием возможности совершить такой выбор. Так что как сильно ни старался бы Евгений, он бы не смог приземлить свою машину на ту самую точку, даже если бы вдруг решительно настроился бы убить своего дедушку.

Игорь Дмитриевич Новиков / © Фотоархив ГАИШ МГУ

Эта идея позднее была расширена студентами Калтеха Фернандо Эшеверриа и Гуннаром Клинхаммером совместно с Кипом Торном. В своей статье они представили бильярдный шар, брошенный в прошлое через червоточину по траектории, которая в итоге помешала бы ему попасть в нее. Они утверждали, что физические свойства червоточины изменили бы траекторию шара таким образом, что он бы не смог помешать сам себе, или что шар не может попасть в червоточину по причине фактического вмешательства со стороны.

Таким образом, если следовать теории Новикова, любые действия, предпринятые путешественником во времени, становятся уже свершившейся историей, а наблюдателям эти события не дает увидеть горизонт Коши.

По возвращении в 2018 год наш Евгений обнаруживает, что дом его семьи пропал, как и другие следы его существования. Прочитав о теории Новикова и бильярдных шарах ученых из Калтеха, он проклинает Вселенную за бездействие. И в этот момент понимает, что, может, Вселенная не вмешалась, так как для этого требовалось некоторое корректирующее действие. Он бежит обратно к машине времени, чтобы изменить собственные действия и спасти свое будущее.

Решение Эшеверриа и Клинкхаммера / © Wikipedia

Решение Новикова может выглядеть несколько надуманным, так как для него определенно требуется множество механизмов, пока неизвестных физике. Именно по этой причине это решение «парадокса убитого дедушки» научное сообщество отвергает.

Может ли быть более экономное решение парадокса, построенное на уже существующих аспектах физики, введенных другими теориями? Оказывается, такая гипотеза, как многомировая интерпретация квантовой механики, может его предоставить. Многомировая интерпретация квантовой механики спешит на помощь!

Многомировую интерпретацию квантовой механики предложил Хью Эверетт III в 1950-х в качестве решения проблемы коллапса волновой функции, наблюдаемой в известном эксперименте Юнга с двумя щелями.

По мере прохождения через щель электрон может быть описан волновой функцией с конечной вероятностью прохождения либо через щель № 1, либо через щель № 2. Когда электрон появляется на экране, он выглядит размазанным, словно волна. А в других случаях проявляет себя как частица. Это называется коллапсом волновой функции. Другими словами, волна будто исчезает, а на ее месте остается частица. Это, в свою очередь, ключевой фактор Копенгагенской интерпретации квантовой механики. Но ученые не понимали, почему коллапсирует волновая функция.

Эверетт задал другой вопрос: а коллапсирует ли волновая функция вообще?

Он представил ситуацию, при которой волновая функция продолжает расти по экспоненте, не коллапсируя. В итоге вся Вселенная обретает одно из двух возможных состояний: «мир», в котором частица прошла через щель № 1, и «мир», в котором частица прошла через щель № 2. Эверетт утверждал, что такое же «деление» состояний происходит во всех квантовых событиях, многочисленные исходы которых существуют в разных мирах в состоянии суперпозиции. Волновая функция для нас выглядит так, будто она коллапсирует, поскольку мы живем в одном из таких миров, не способных взаимодействовать друг с другом.

Читайте также: Размер боковой поверхности цилиндра

Диаграмма разделения миров согласно многомировой интерпретации квантовой механики / © Wikipedia

Следовательно, когда Евгений прибывает в 1960 год, Вселенная разделяется. Он уже находится не в том мире, из которого прибыл (пусть это будет Мир № 1). Вместо этого он создал и занял новый мир. Когда он путешествует в будущее, то движется вместе с хронологией этого мира. Он никогда не существовал в нем и, по сути, никогда не убивал своего дедушку. Его дедушка продолжает существовать в добром здравии в Мире № 1.

Конечно, ни одно из предложенных решений и гипотез не делает путешествия во времени реальностью. Специальная теория относительности Эйнштейна и ограничения на скорость объекта с массой ставят серьезные преграды для этого. Тем не менее они предоставляют интересные решения головоломке. По иронии судьбы самое правдоподобное решение «парадокса убитого дедушки» исходит из единственной физической гипотезы, породившей еще больше фантастических историй, чем многие другие идеи и гипотезы, высказанные учеными за последнее столетие.

Любопытно, что многомировая интерпретация также может ответить на еще одну головоломку, связанную с путешествиями во времени. Если такая технология когда-то и станет чем-то большим, чем фантастика, где все путешественники во времени? Почему они до сих пор не прибыли к нам, чтобы рассказать о своем открытии?

Вероятный ответ — мы живем в первичном мире, в котором машинам времени суждено быть созданными. А изобретатели и их попутчики просто попадают в другие миры, которые сами и порождают. Если это действительно так, то изобретение машины времени приведет наш мир к тому, что из него пропадет множество физиков и изобретателей.

Видео:Физика 7 класс (Урок№10 - Плотность и масса.)Скачать

Аниме Закон Архимеда

Видео:В ЧЕМ же РАЗНИЦА?! СИЛА ТЯЖЕСТИ и ВЕС ТЕЛАСкачать

Демон Максвелла | [Невозможные изобретения]

В древние времена самым простым, а иногда и единственным способом для достижения чего-либо невозможного человек считал обращение к помощи потусторонних сил.

Позже, вместе с бурным развитием наук появилась надежда, что технологический прогресс поможет устранить необходимость привлечения сверхъестественного для решения насущных проблем.

Но ведь потребности человека фактически не удовлетворимы, а границы желаемого расширяются намного быстрее, пределов достижимого.

Поэтому даже ученые иногда прибегают к помощи демонов, особенно когда им необходимо бросить вызов какому-нибудь фундаментальному научному закону. Например, второму началу термодинамики, неумолимая суровость которого, теоретически когда-нибудь приведет к концу своего существования всю нашу Вселенную.

И вот, примерно полтора века назад, чтобы обойти этот закон Джеймс Клерк Максвелл призвал демона, которого теперь все так и называют — «демон Максвелла».

Правда «демоном» его назвал другой знаменитый ученый — Уильям Томсон, которого в свою очередь королева Виктория в благодарность за заслуги перед короной нарекла «бароном Кельвином», именем, под которым он с тех пор и известен всему миру.

Кстати, Томсон в 1851 году и сформулировал одно из определений второго закона термодинамики, который в его интерпретации звучит следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого является получение системой теплоты от одного источника (теплового резервуара) и выполнение ею эквивалентного количества работы.

При этом Томсон опирался на исследования Сади Карно, который в 1824 году в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», посвящённой паровым машинам, первым сформулировал идею, заложившую основу для понимания второго начала термодинамики:

при отсутствии разности температур теплота не может быть преобразована в работу; для постоянного производства работы тепловой машине необходимо иметь по крайней мере два тепловых резервуара с различными температурами — нагреватель и холодильник.

Но и здесь, если говорить о названиях, не все просто и однозначно. На самом деле, исторически первая формулировка закона и его определение «вторым началом термодинамики» принадлежат Рудольфу Клаузиусу.

Более того, понятие энтропии, её обозначение и название тоже были введены Клаузиусом в 1865 году.

Хотя, когда речь заходит об энтропии, большинство в первую очередь вспоминает Людвига Больцмана.

И раз речь, наконец, дошла до энтропии, то самое время вернуться к нашему демону.

Итак, «демон» впервые появился в письме, которое Максвелл написал Питеру Гатри Тейту 11 декабря 1867 года в виде описания мысленного эксперимента, гипотетически позволяющего нарушать второй закон термодинамики. Позже он снова появился в письме Джону Уильяму Стратту в 1871 году, и только потом он был окончательно представлен публике в книге Максвелла 1872 года по термодинамике под названием «Теория тепла».

В своих письмах и книгах Максвелл описывал агента, открывающего дверь между комнатами, как «определенное существо» («finite being»). Как уже упоминалось, Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, первым использовавший слово «демон» для концепции Максвелла в журнале Nature в 1874 году, на самом деле имел в виду посредническую, а не злобную коннотацию этого слова.

Согласно описанию Максвелла суть его мысленного эксперимента состоит в следующем:

представим себе герметичный контейнер, разделенный на две одинаковые части A и B газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца. В начале опыта обе половины заполнены газом определенной температуры. Как известно температура вещества зависит от средней скорости движения молекул в нем, но при этом отдельные молекулы двигаются с разной скоростью — есть быстрые и медленные молекулы. Задача «демона» состоит в том, чтобы распознавать и отслеживать быстрые и медленные молекулы, и открывать дверцу в нужный момент, чтобы молекулы с высокой кинетической энергией переходили из секции от A в секцию B, а молекулы с низкой кинетической энергией из B в A. Таким образом, он без затрат работы поднимет температуру секции B и понизит температуру секции A, что противоречит второму закону термодинамики.
При этом тепловая машина, работающая между секциями A и B, могла бы извлечь полезную работу из этой разницы температур.

Но это было бы слишком здорово, практически прямой путь к созданию вечного двигателя.

Все надежды на привлечение «демона Максвелла» к такому нужному делу были развеяны в 1929 году Лео Сцилардом. Сцилард обратил внимание на то, что реальный демон Максвелла должен иметь какие-то средства измерения молекулярной скорости и что получение информации тоже потребует затрат энергии. Поскольку демон и газ взаимодействуют, следует учитывать общую энтропию газа и демона вместе взятых. Расход энергии демоном вызовет увеличение энтропии демона, которое будет больше, чем понижение энтропии газа.

Звучит исчерпывающе! Казалось бы, вопрос закрыт? Снова «невозможное изобретение»!

Да – такое изобретение воплотить невозможно. Но, нет — вопрос не закрыт до сих пор.

Поскольку нарушение законов физики, в отличие от прочих законов, не грозит перспективой наказания, а вот на премию типа Нобелевской нарушитель вполне может рассчитывать, то желающих представить миру свою версию демона Максвелла превеликое множество.

Только за последнее десятилетие было предпринято несколько эффектных попыток.

В 2010 году мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из университетов Тюо и Токийского университета.

Японцы создали два связанных шарика полистирола диаметром 0,3 микрометра каждый. Один был прикреплен на поверхности стекла, а второй шарик-ротор мог вращаться вокруг первого.

Установку при этом заполняла жидкость. Её молекулы хаотично подталкивали шарики, создавая эффект броуновского движения. Поэтому, ротор мог вращаться с равной вероятностью, как по направлению часовой стрелки, так и против.

Авторы добавили слабое электрическое поле, которое создавало крутящий момент. Это был аналог лестницы, по которой шарик мог «взбираться», увеличивая потенциальную энергию. Иногда молекулы толкали ротор против действия поля (на подъём), а иногда в сторону поля (прыжок по ступенькам вниз). Но в целом ротор вращался туда, куда его толкало внешнее поле.

Но вот физики добавили «демона» — высокоскоростную камеру, наблюдающую за шариком, и компьютер, управляющий полем. Каждый раз, когда ротор в броуновском движении делал шаг против поля, компьютер сдвигал последнее так, что шарик мог повернуться, но когда ротор пытался вращаться обратно, поле блокировало его.

Так был создан аналог открываемой и закрываемой демоном Максвелла дверцы: ротор увеличивал свою энергию за счёт теплового движения молекул.

Законов природы, впрочем, установка не нарушает, поскольку для работы «демона» (то есть камеры, системы коррекции напряжения) необходима энергия. Но японцы подчёркивают, что данный опыт впервые на практике доказал реальность так называемого теплового насоса – варианта «демона Максвелла», теоретически обоснованного Лео Сцилардом в 1929 году. Такая машина извлекает энергию из изотермической окружающей среды и преобразует её в работу.

В 2016 году Физики из Финляндии, России и США создали электронную версию замкнутого (автономного) демона Максвелла. «Система» представляет собой одноэлектронный ящик, подключенный к внешнему потенциалу. Демон следит за зарядом на коробке. (Слева) Если электрон (синий) входит в ящик, демон немедленно захватывает его, прикладывая положительный заряд. (Справа) Если электрон покидает ящик, демон отталкивает его, прикладывая отрицательный заряд. Это электронный эквивалент того, как демон открывает или закрывает дверь для быстрых и медленных частиц в оригинальном мысленном эксперименте Максвелла.

В 2018 году физики в США упорядочили систему из 50 помещенных в трехмерную оптическую ловушку атомов цезия с помощью реального аналога демона Максвелла, уменьшив при этом энтропию системы почти в 2,5 раза.

В оптической ловушке атомы захватываются с помощью двух поляризованных лазеров, которые создают периодический удерживающий потенциал.

В результате ученым удавалось получить практически полностью заполненные подрешетки: средний коэффициент их заполнения составлял 0,97 и 0,95. Вероятность получить подрешетку без пустых мест — 32 процента и 27 процентов для подрешеток 5×5×2 и 4×4×3 соответственно.

6 апреля 2020 года в журнале Physical Review B была опубликовано исследование, описывающее созданную учеными систему из двух квантовых точек с одноэлектронными переходами для оценки термодинамических характеристик демона Максвелла с учетом информации и возвратного действия измерений.

Они продемонстрировали возможность преобразования тепла в работу за счет информации и получили кривые зависимостей тепла и мощности от запирающего напряжения и степени туннелирования.

Это только самые удачные и поэтому самые нашумевшие эксперименты последних лет по созданию демона Максвелла.

Не стоит сомневаться, что попытки обмануть природу при содействии ловкого демона будут продолжаться и дальше до тех пор, пока они либо увенчаются успехом, либо вся Вселенная достигнет термодинамического равновесия…

Тепловая смерть Вселенной, также Большое замерзание — гипотеза, выдвинутая Р. Клаузиусом в 1865 году на основании экстраполяции второго начала термодинамики на всю Вселенную.

📺 Видео

Урок 28 (осн). Вычисление массы и объема тела по плотностиСкачать

Вес тела | Физика 7 класс #20 | ИнфоурокСкачать

Как изменится ваше тело, если месяц принимать холодный душСкачать

КАК ЗА 6 МИНУТ понять физику? Вес тела, Перегрузка и НевесомостьСкачать

Вес тела. Практическая часть - решение задачи. 7 класс.Скачать

Вес телаСкачать

Сперматозоид-чемпион | наглядно показано оплодотворениеСкачать

ОГЭ 2022 по физике | Давление. Гидростатика. Сила АрхимедаСкачать

Лекция IV-1. Напряжения в массиве от собственного веса грунтаСкачать