Makarov Physics Suite

Продолжаю в свободное время улучшать свой комплекс программ по физике. И сегодняшний пост - небольшая подборка из 32 экспериментов - всего в комплексе на сегодняшний день их доступно 140, а скачать его можно на Steam:

Заряженные частицы солнечного ветра летят к Земле и, попав в её магнитное поле, начинают винтом накручиваться на силовые линии. Поле дипольное, как у стержневого магнита, и оно стягивает частицы к полюсам - там, где линии входят в атмосферу, рождается овал сияния. Видео показывает, как поток частиц выстраивается в спирали, отражается от «магнитных зеркал» у полюсов и высыпается в атмосферу.

Пылинка в воде дрожит и блуждает, потому что её беспорядочно толкают молекулы. Видео показывает частицу в кубе из тысяч невидимых молекул: с виду хаос, но средний квадрат смещения растёт строго линейно со временем - так Эйнштейн в 1905 году доказал, что атомы существуют.

Ветряная турбина не может забрать у ветра всю энергию: если остановить воздух полностью, ему некуда будет уходить. Бетц в 1919 году вывел потолок - 59,3 %. В видео ветер обтекает вращающийся ротор, а на экране видно, как замедляется поток за ним и как коэффициент мощности упирается в теоретический предел.

Частица не может обогнать свет в вакууме, но в воде свет медленнее - и электрон, летящий быстрее света в среде, оставляет за собой световой конус, как самолёт оставляет звуковой хлопок. Видео показывает, как голубое кольцо на экране детектора вырастает из угла этого конуса.

Насыпьте песок на вибрирующую пластину - и он соберётся на неподвижных линиях, где пластина не колеблется. Видео показывает, как при смене частоты узоры перестраиваются: песок буквально рисует собственные колебания пластины.

Клетчатая скатерть падает, складывается и цепляется за препятствия. Она состоит из тысяч точек, связанных пружинами, и решатель следит, чтобы ткань не проходила сквозь себя. Видео показывает, как из простых правил рождаются настоящие складки.

Колыбель Ньютона: шар ударяет в ряд - вылетает только последний. Видео показывает, почему: импульс и энергия передаются по цепочке, и никакая другая комбинация шаров не удовлетворяет обоим законам сохранения сразу.

Фотон бьёт в электрон и отскакивает с меньшей энергией - как бильярдный шар. Видео показывает разлёт частиц под разными углами и то, как сдвиг длины волны зависит от угла - ровно по формуле Комптона, за которую он получил Нобелевскую премию.

Рамка с током между полюсами магнита стремится повернуться, а коллектор в нужный момент меняет направление тока, чтобы вращение не останавливалось. Видео показывает щётки, коллектор и карту магнитного поля, в котором работает якорь.

Два маятника, подвешенные один на другом, - простейшая система, где царит хаос. Видео показывает, как две почти одинаковые копии расходятся по совершенно разным траекториям через несколько секунд, а график расхождения растёт по экспоненте.

Гайка-барашек в невесомости кувыркается: вращается вокруг средней оси, а потом вдруг переворачивается на 180°. Это не трюк - так ведёт себя любое тело, закрученное вокруг оси со средним моментом инерции. Видео показывает переворот и объясняет его уравнениями Эйлера.

Расставьте заряды и посмотрите, как выглядит поле вокруг них: силовые линии выходят из положительных и входят в отрицательные, а эквипотенциали пересекают их под прямым углом. Видео показывает диполь, квадруполь и заряженное кольцо.

Катушка с железным сердечником и лоток железных опилок: включите ток - и опилки выстроятся вдоль силовых линий, обрисовывая поле. Видео показывает, как картина меняется с током и как сердечник усиливает поле.

Электроны из пушки летят через электростатические линзы и попадают на люминесцентный экран, как в старом телевизоре. Видео показывает фокусировку пучка, отклоняющие пластины и то, как из точки на экране складывается изображение.

Уравнения Максвелла решаются прямо на сетке, шаг за шагом. Видео показывает, как волна от точечного источника расходится кольцами, огибает препятствие и интерферирует сама с собой - ровно по тем же уравнениям, что описывают радио и свет.

Маятник качается в одной плоскости, а Земля под ним поворачивается. Видео показывает, как плоскость качаний медленно уходит по кругу, и почему на полюсе она делает полный оборот за сутки, а на экваторе не движется вовсе.

Тридцать тысяч звёзд притягивают друг друга - и вместо N² вычислений алгоритм Барнса–Хата группирует далёкие звёзды в одну массу. Видео показывает, как два диска сталкиваются, вытягивают приливные хвосты и сливаются.

Шарики падают через решётку штырьков и собираются в ячейки внизу. Каждый шарик решает случайно, влево или вправо, а вместе они рисуют колокол Гаусса. Видео показывает, как из тысяч случайностей складывается закономерность.

Лучи света преломляются в линзе и сходятся в фокусе. Видео показывает, как меняется изображение при смещении предмета, откуда берётся мнимое изображение и как ведут себя собирающая и рассеивающая линзы.

Пятнадцать маятников разной длины запускают одновременно. Их периоды подобраны так, что узор из шаров то превращается в волну, то распадается на хаос, то собирается обратно. Видео показывает полный цикл хореографии.

Луч осциллографа рисует кривую, когда на два его входа подают колебания разной частоты. Видео показывает, как соотношение частот 1:2, 2:3, 3:4 читается прямо по числу петель фигуры.

Молекулы - от воды до фуллерена С60 - собираются из атомов, которые отталкиваются и находят равновесие. Видео показывает, как углы между связями рождаются из простого правила: электронные пары держатся друг от друга как можно дальше.

Солнечная шестерня, сателлиты, коронная шестерня и водило - четыре части, одно уравнение. Держите любую из них - получите разное передаточное число. Видео показывает, почему автоматическая коробка передач построена именно так.

Четыре винта, никакой стабильности сама по себе: дрон держится в воздухе только потому, что контроллер сотни раз в секунду поправляет тягу. Видео показывает, как ПИД-регулятор проводит дрон через кольца трассы.

Цепная реакция и стержни, которые её укрощают. Видео показывает, как мощность отвечает на движение стержней с задержкой - из-за запаздывающих нейтронов - и почему именно эта задержка делает реактор управляемым.

Волновой пакет летит на потенциальный барьер. Классическая частица отскочила бы - квантовая частично проходит сквозь. Видео показывает туннелирование, интерференцию отражённой и прошедшей волн и то, как норма вероятности всегда равна единице.

Тёплый дым поднимается, закручивается и разваливается на вихри - это уравнения Навье–Стокса, решаемые в реальном времени. Видео показывает, как плавучесть и завихрённость рождают узнаваемый гриб дыма.

Плёнка между двумя кольцами принимает форму с наименьшей площадью - катеноид. Раздвиньте кольца слишком далеко - и плёнка схлопнется в два плоских диска. Видео показывает, где проходит эта граница.

Плазма удерживается в бублике магнитным полем: частицы наматываются на силовые линии и не касаются стенок. Видео показывает винтовое движение зарядов, дрейф и то, что происходит, если выключить ток плазмы.

Две катушки на одном сердечнике: ток в первой создаёт поток, поток наводит напряжение во второй. Видео показывает, как отношение витков задаёт отношение напряжений, и куда уходят потери в меди.

Крыло в виртуальной аэродинамической трубе: поток обтекает его гладко, пока угол атаки мал, и срывается в вихри, когда он вырастает. Видео показывает трассеры, дорожку вихрей за крылом и цилиндром.

Бросьте камень - по поверхности разбегутся кольца, отразятся от стенок и наложатся друг на друга. Видео показывает волновое уравнение с каустиками на дне и плавающим телом, качающимся на волнах.

Проект доступен на Steam:

Также, вы можете поддержать мой математический проект, находящийся сейчас в разработке, добавив его в вишлист: