Makarov Physics Suite update
Семь цилиндров расположены вокруг одного коленчатого вала, словно лучи звезды. Их поршни движутся по разным направлениям, но передают усилие общему механизму. Звездообразный двигатель позволяет увидеть, как множество отдельных рабочих циклов складывается во вращение одного вала.
Каждый цилиндр проходит четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Воспламенение смеси повышает давление, газ толкает поршень, а шатун передаёт усилие коленчатому валу. Главный и прицепные шатуны объединяют цилиндры в тесном пространстве вокруг одной кривошипной шейки. Последовательность вспышек распределяет рабочие ходы по полному циклу.
Прозрачные цилиндры открывают движение поршней, клапанов, подачу топлива и момент зажигания. Выберите цилиндр, измените частоту вращения и наполнение или остановитесь на следующей вспышке. Сопоставляйте давление, объём камеры и газовый момент. Заданный привод вала позволяет рассмотреть последовательность событий в удобном темпе, а не только наблюдать быстро вращающийся двигатель снаружи.
Два вращающихся груза могут управлять скоростью машины без электроники. Когда вал разгоняется, грузы расходятся и поднимаются. Система рычагов прикрывает подачу пара, уменьшая движущий момент. Если машина замедляется, грузы опускаются и клапан открывается шире.
Это отрицательная обратная связь: изменение скорости вызывает действие, которое ему противодействует. Однако устойчивость не возникает автоматически. Инерция механизма и слишком сильная реакция клапана могут привести к периодическим перебросам скорости — «охоте» регулятора. Кроме того, простой механический регулятор способен установить после изменения нагрузки новую скорость, немного отличающуюся от прежней.
Меняйте нагрузку прямо во время работы, настраивайте чувствительность привода и затухание рычагов. Наблюдайте за углом грузов, открытием клапана и скоростью вала, сравнивайте плавное установление режима с раскачкой. Этот механизм позволяет увидеть основные идеи автоматического управления в движении металла: измерение, коррекцию, инерцию и поиск устойчивого равновесия.
Паровая машина превращает давление газа в движение тяжёлого маховика. Пар поочерёдно поступает к двум сторонам поршня, заставляя его двигаться туда и обратно. Кривошипно-шатунный механизм преобразует это движение во вращение, а маховик сглаживает неравномерность рабочего цикла.
Пар не обязательно впускать на протяжении всего хода. После отсечки уже поступившая порция продолжает расширяться и совершать работу, хотя её давление падает. Поэтому момент закрытия впуска влияет на весь цикл. Диаграмма давления и объёма позволяет буквально увидеть работу: замкнутый контур связан с энергией, переданной газом за цикл.
Прозрачный цилиндр открывает обе рабочие камеры и движение поршня. Меняйте давление котла, отсечку, подачу пара и нагрузку на вал. Наблюдайте за разгоном, замедлением и остановкой, а при необходимости подтолкните маховик. Показания и диаграмма помогают связать каждый участок движения с изменением давления и передачей энергии.
Почему катушка с током вращается между магнитами, а не просто поворачивается и останавливается? Магнитное поле создаёт силы на проводниках, но для непрерывного вращения ток необходимо переключать в нужные моменты. В коллекторном двигателе эту работу выполняют щётки и вращающийся коллектор.
Когда ротор набирает скорость, он одновременно становится генератором: в обмотках возникает напряжение, противодействующее питанию. Добавьте нагрузку — скорость уменьшится, эта противо-ЭДС ослабнет, а ток возрастёт. Так электрическая и механическая стороны машины постоянно влияют друг на друга.
Открытый разрез позволяет рассмотреть обмотки, щётки и сегменты коллектора. Меняйте полярность питания, включайте нагрузку и наблюдайте за током и скоростью. Замедление помогает проследить переключение контактов, а генераторный режим показывает обратное преобразование: вращение вала питает электрическую цепь. Одна машина демонстрирует сразу два направления обмена энергией.
Мост кажется неподвижной частью пейзажа, но на самом деле он умеет изгибаться и закручиваться. Ветер может связать эти движения так, что каждое колебание будет получать новую порцию энергии. Возникает флаттер: небольшое возмущение постепенно превращается в заметную раскачку.
Секрет — в обратной связи между конструкцией и воздухом. Поворот мостового полотна меняет аэродинамические силы, а эти силы снова меняют его положение. Если приток энергии превышает потери, колебания нарастают. Поэтому для устойчивости важны не только прочность, но и форма конструкции, её упругость и способность гасить движение.
В модуле можно менять скорость ветра и затухание, а затем возмущать мост коротким импульсом. Сравните поведение ниже и выше расчётного порога флаттера: когда движение исчезает, а когда начинает поддерживать само себя? Наглядная модель изгиба и кручения показывает, как воздушный поток становится источником механических колебаний.
Металлический маятник может затормозить, даже не касаясь препятствия. Когда проводящая пластина движется через неоднородное магнитное поле, в ней возникают замкнутые электрические токи. Их собственное поле противодействует движению, которое эти токи вызвало. Это наглядное проявление правила Ленца.
Энергия не исчезает в магните: сопротивление металла превращает её в тепло. Поэтому особенно интересно сравнить сплошную пластину с прорезанной. Прорези мешают крупным токовым контурам, и торможение становится слабее. Геометрия проводника оказывается частью электрической схемы, хотя никаких проводов снаружи нет.
Отпустите оба маятника одновременно и наблюдайте, как меняются их размах и механическая энергия. Настройте магнитное поле и сопротивление, включите отображение токов и сравните накопленное тепло. Модуль помогает проследить всю цепочку превращений: движение создаёт ток, ток создаёт тормозящую силу, а энергия движения переходит в нагрев.
Маятник умеет задавать ритм, но сам по себе постепенно остановится. Часовому механизму нужно одновременно считать его качания и восполнять потери энергии. Эту двойную задачу решает спуск: он выпускает зубья колеса по одному и передаёт маятнику небольшие, точно приуроченные толчки.
Длина маятника определяет основной темп часов. При небольшом размахе период почти не зависит от амплитуды, однако при больших отклонениях эта независимость нарушается. Поэтому точный ход требует согласовать геометрию, трение и силу импульсов. Слишком щедрая подкачка энергии тоже способна изменить ритм.
За стеклянным корпусом видны маятник, анкер и зубчатая передача. Заведите часы, измените длину маятника или потери и сравните измеренные интервалы между тиками. Можно слегка подтолкнуть груз и проследить восстановление движения. Запас энергии привода постепенно расходуется: каждый тик связан с передачей энергии от привода к маятнику.
Быстрый мелкий поток внезапно становится глубоким и медленным. Между этими состояниями возникает бурлящий водяной вал — гидравлический прыжок. Подобные переходы можно увидеть в каналах и за водосбросами, где они помогают рассеять лишнюю энергию потока.
Ключевое число здесь — число Фруда: оно сравнивает скорость воды со скоростью длинных поверхностных волн. До прыжка поток может обгонять такие возмущения, а после него волны уже способны распространяться против течения. При переходе сохраняется расход, а баланс импульса связывает глубины до и после прыжка. Часть механической энергии уходит в турбулентность и в конечном счёте в тепло.
Меняйте расход и входную глубину в прозрачном канале. Сравнивайте число Фруда, выходную скорость, глубину и потерю энергетического напора. Схематический водяной вал и метки потока помогают увидеть переход, а расчёт показывает, почему сохранение массы и импульса совместимо с потерей механической энергии.
В стеклянном цилиндре плавают разноцветные шарики с числами. Стоит изменить температуру — и некоторые из них медленно опускаются, а другие поднимаются. Такой термометр превращает невидимое изменение плотности жидкости в движение целой маленькой процессии.
Каждый поплавок имеет свою среднюю плотность, подобранную при калибровке. При нагревании окружающая жидкость расширяется и становится менее плотной. Выталкивающая сила уменьшается, и часть поплавков тонет. При охлаждении картина меняется в обратную сторону. О температуре судят по границе между верхней и нижней группами; нижняя метка среди плавающих даёт ориентировочное показание шкалы.
В модуле можно нагревать и охлаждать жидкость, наблюдать за шестью поплавками и включать стрелки результирующей силы. Тепловая задержка показывает, почему настоящий прибор не реагирует мгновенно. Здесь закон Архимеда работает одновременно как весы и как способ измерения температуры.
Две струйки воды, металлические кольца и перекрёстно соединённые сосуды могут создать напряжение, достаточное для искры. В капельнице Кельвина нет батарейки: энергия падающей воды постепенно накапливается в электрическом поле.
Процесс начинается с крошечной разницы зарядов. Заряженное кольцо перераспределяет заряд в проходящей струе, и отделившиеся капли уносят его в нижний сосуд. Перекрёстные провода связывают каждое кольцо с противоположным сосудом. Получается положительная обратная связь: небольшой начальный дисбаланс усиливается, а сосуды заряжаются противоположными знаками. Разряд резко снижает напряжение, после чего цикл может начаться снова.
В модуле можно менять поток воды и утечку заряда, размыкать перекрёстную связь или заземлять оба накопителя. Следите за напряжением, энергией поля и искровыми разрядами. Остановка воды особенно хорошо показывает источник энергии: без непрерывной подачи система перестаёт накачивать электрическое поле, а накопленный заряд постепенно утекает.
Стальной шар висит под электромагнитом, не касаясь опоры. Кажется, достаточно подобрать ток, при котором магнитная сила уравновесит вес. Но такое равновесие неустойчиво: чуть ближе к магниту — притяжение усиливается, чуть дальше — ослабевает. Маленькая ошибка начинает расти.
Удержать шар помогает обратная связь. Система следит за его положением и движением, непрерывно корректируя ток катушки. Реагировать нужно достаточно быстро, но чрезмерно резкие исправления тоже опасны: шар может начать раскачиваться. Дополнительные трудности создают задержка изменения тока и ограниченная сила электромагнита.
Задайте желаемый зазор, настройте чувствительность регулятора и слегка толкните шар вниз. По движению, току и силе видно, удаётся ли системе вернуться к заданной высоте. Отключение управления раскрывает роль автоматики особенно наглядно. Левитация здесь становится опытом о том, как измерение и своевременная коррекция превращают неустойчивое состояние в управляемое.
Представьте привратника, который видит скорость каждой молекулы. Быстрые частицы он пропускает в одну половину сосуда, медленные — в другую. Постепенно одна сторона становится горячее другой, хотя привратник будто бы ничего не нагревает. Этот мысленный эксперимент связывает температуру с удивительно практическим вопросом: чего стоит информация?
В модуле 512 упругих частиц движутся в трёхмерной камере, а избирательное отверстие сортирует их по скорости. Цвет помогает различать быстрые и медленные частицы. Сама сортировка не добавляет им кинетической энергии, но создаёт различие между двумя частями системы.
Меняйте порог отбора и сравнивайте температуры, оценку энтропии газа и число записанных решений. Затем сотрите память: отдельный показатель отражает минимальную тепловую цену необратимого стирания информации. Чтобы оценить работу такого устройства, приходится учитывать не только газ, но и физическую память контроллера. Именно эта расширенная картина снимает кажущееся противоречие со вторым началом термодинамики.
Пять метрономов начинают отбивать ритм не в такт друг другу. Никто не задаёт им общего такта, но через некоторое время их движения могут согласоваться. Кажется, будто приборы прислушиваются друг к другу. На самом деле они обмениваются механическими толчками через общую подвижную платформу.
Качание одного маятника слегка сдвигает основание, а движение основания воздействует на остальные маятники. Такие слабые взаимные поправки постепенно меняют относительные фазы. Возникнет ли общий ритм, зависит от массы платформы, различий между метрономами и работы их приводов. Синхронизация — результат взаимодействия, поэтому она не обязана появляться при любых настройках.
Запустите метрономы с разными фазами, освободите платформу и наблюдайте за показателем согласованности. Затем закрепите основание или измените разброс длин маятников. Можно толкнуть отдельный метроном и посмотреть, вернётся ли он к общему движению. Этот небольшой ансамбль показывает, как коллективный порядок возникает без единого дирижёра.
Два скрещённых поляризатора почти не пропускают свет. Кажется логичным, что третий фильтр только усилит затемнение. Но если поставить его между первыми двумя и повернуть на промежуточный угол, свет снова появится. Этот опыт показывает, что фильтры меняют не только количество света, но и его поляризацию.
У линейно поляризованной волны электрическое поле колеблется вдоль определённого направления. Поляризатор пропускает компоненту поля вдоль своей оси. Промежуточный фильтр задаёт новое направление, у которого уже есть ненулевая проекция на ось последнего фильтра. Четвертьволновая пластинка действует иначе: меняет относительную фазу компонент и позволяет получить эллиптическую или круговую поляризацию.
Вращайте оптические элементы и сравнивайте форму колебаний поля с яркостью экрана. Попробуйте схему с тремя поляризаторами, четвертьволновую пластинку и идеализированную жидкокристаллическую ячейку. Изменения на экране связывают геометрию волны с принципами работы оптических фильтров и дисплеев.
Чтобы лететь вперёд, квадрокоптер должен наклониться. Его винты создают тягу вдоль оси аппарата, поэтому горизонтальное ускорение начинается с изменения ориентации. При этом нужно продолжать удерживать высоту: даже простое движение требует согласованной работы всех четырёх роторов.
Разница тяги наклоняет аппарат, а изменение баланса реактивных моментов разворачивает его вокруг вертикальной оси. Автопилот решает задачу в несколько шагов: ошибка положения превращается в нужный наклон, затем ошибка ориентации — в команды двигателям. Слишком слабые поправки делают аппарат вялым, слишком резкие способны вызвать раскачку.
В модуле можно зависать, проходить маршрут над трёхмерным ландшафтом и переходить к ручному управлению. Изменяйте ветер и настройки регуляторов, добавляйте возмущение и следите за восстановлением полёта. Показатели тяги отдельных роторов и график ошибки помогают увидеть, сколько непрерывных корректировок скрывается за внешне спокойным зависанием.
Продолговатый камень охотно вращается в одну сторону, а при запуске в другую начинает качаться, замедляется и может развернуться обратно. Необычное поведение возникает из-за формы опоры и распределения массы внутри тела. Даже небольшая асимметрия способна заметно изменить его движение.
Главные направления инерции слегка повёрнуты относительно направлений кривизны нижней поверхности. Благодаря этому вращение и покачивание обмениваются энергией несимметрично. В одном направлении слабые колебания способны вырасти за счёт вращения, после чего энергия возвращается во вращательное движение уже с другим знаком. Трение и потери постепенно исчерпывают запас движения.
Запускайте модель в обе стороны, меняйте перекос осей и добавляйте лёгкое покачивание. Прозрачный разрез показывает грузы, а графики позволяют проследить обмен энергией. Особенно показательно выровнять оси и сравнить результат. Модуль использует усреднённую модель малых колебаний, которая помогает разобрать по частям механизм этого неожиданного разворота.
Вода поднимается по трубке выше края сосуда, переваливает через вершину и уходит вниз. Сифон выглядит как маленький фокус, хотя источником энергии служит обычная сила тяжести. Важно, чтобы трубка была заполнена жидкостью, а выход находился ниже уровня воды в питающем сосуде.
Разность высот поддерживает течение, а давление вдоль трубки подстраивается под движение водяного столба. У вершины оно понижается. Слишком высокая вершина может привести к падению давления до уровня, при котором возникают паровые полости и сплошной столб разрывается. Попавший через отверстие воздух также способен остановить течение. Трение ограничивает расход и отнимает часть механической энергии.
Меняйте высоту вершины и выхода, атмосферное давление и гидравлические потери. Наблюдайте, как опустошается верхний сосуд и заполняется приёмник, сопоставляйте расход с давлением в верхней точке. Впустите воздух, затем снова заполните трубку. Этот опыт соединяет силу тяжести, давление и непрерывность потока в одном устройстве.
Ветвящиеся разряды над катушкой и светящиеся нити внутри стеклянного шара показывают, как электрическое поле заставляет газ проводить ток и излучать свет. За эффектным зрелищем скрываются колебания, резонанс и движение заряженных частиц.
Катушка Теслы передаёт энергию между связанными колебательными контурами. Настройка частоты влияет на накопление энергии и напряжение, при котором возникают разряды. В плазменном шаре поле возбуждает газ по тонким проводящим каналам. Прикосновение к стеклу меняет ёмкостную связь с окружающей средой, поэтому яркие нити сосредоточиваются около точки контакта.
Переключайтесь между двумя установками, меняйте амплитуду возбуждения, частоту и связь катушек. В режиме шара удерживайте и перемещайте точку касания: разряды будут следовать за ней. Показатели напряжения и рисунок светящихся нитей помогают связать электрические настройки с видимой картиной. Модуль превращает знакомый световой эффект в опыт, которым можно управлять и который можно объяснить.
Удержать горячую плазму вдали от стенок — одна из ключевых задач управляемого термоядерного синтеза. В токамаке эту работу выполняет магнитное поле. Заряженные частицы закручиваются вокруг силовых линий, а тороидальная камера позволяет выстроить магнитную ловушку в форме кольца.
Однако одного поля, направленного вдоль большого кольца, недостаточно: кривизна и неоднородность поля вызывают дрейф частиц. Ток плазмы создаёт дополнительную составляющую поля, и силовые линии приобретают винтовую форму. Такая геометрия меняет движение зарядов и улучшает удержание. В конструкции становятся понятны роли катушек, центрального соленоида и вакуумной камеры.
Откройте сектор установки и наблюдайте за траекториями частиц в заданном магнитном поле. Сравните импульсы с током плазмы и без него, изменяйте параметры поля и начальную температуру. Следы и вспышки попаданий в стенку связывают устройство ловушки с измеряемой долей удерживаемых частиц. Здесь можно исследовать именно магнитное удержание — важный физический этап на пути к термоядерной установке.
В открытом океане цунами может быть малозаметным по высоте, но переносить возмущение через огромные расстояния. Это очень длинная волна: её поведение связано с движением всей толщи воды, а скорость сильно зависит от глубины океана.
Над глубоким дном длинная волна распространяется быстрее. При выходе на мелководье она замедляется, её пространственный масштаб сокращается, а высота может увеличиваться. Поэтому изменение рельефа дна заметно меняет картину распространения. Для длинных волн характерная скорость пропорциональна квадратному корню из глубины: глубина оказывается частью механизма движения, а не просто фоном.
В модуле волна проходит из глубоководной области на шельф. Изменяйте обе глубины и начальную амплитуду, наблюдайте замедление, изменение высоты и отражения. Численная модель сохраняет объём воды, а вертикальный масштаб усилен для наглядности. Этот опыт посвящён распространению длинных волн; разрушение гребня и затопление берега требуют других, более сложных моделей.
Молекула воды в целом электрически нейтральна, но заряд внутри неё распределён неравномерно. Область кислорода имеет частичный отрицательный заряд, области водорода — частичный положительный. Из-за угловой формы молекула обладает электрическим дипольным моментом и реагирует на внешнее поле.
Такое строение помогает молекулам взаимодействовать друг с другом. Между водородом одной молекулы и кислородом соседней могут возникать водородные связи. В жидкой воде эта сеть постоянно перестраивается на фоне теплового движения. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать диполи, а тепловое беспорядочное движение мешает выстроить их одинаково.
В трёхмерной камере движутся и поворачиваются 48 молекул. Меняйте условную температуру, силу и направление поля, включайте стрелки диполей и наблюдайте за степенью их ориентации. Пунктир отмечает геометрически подходящие пары для водородных связей в этой учебной модели. Так можно проследить связь между формой отдельной молекулы, электрическими взаимодействиями и коллективным поведением вещества.
Груз на пружине сначала подпрыгивает вверх и вниз, затем почти перестаёт менять высоту и начинает крутиться. Спустя некоторое время вертикальные колебания возвращаются. Энергия словно переходит из одного вида движения в другой, хотя груз никто заново не толкает.
В маятнике Уилберфорса растяжение пружины связано с её закручиванием. Поэтому вертикальное и вращательное движения взаимодействуют. Когда их собственные частоты близки, обмен становится особенно заметным: размах одного движения убывает, пока другого растёт. За этой картиной стоят совместные режимы колебаний всей системы, а не исчезновение и повторное появление энергии.
Перемещайте грузики, изменяя момент инерции, и настраивайте систему на обмен между двумя движениями. Можно начать только с вертикального смещения или только с закручивания, затем сравнить графики энергий. Добавьте затухание и проследите постепенные потери. Простой механический прибор делает видимыми связь колебаний, настройку частот и биения.