Продолжаем вспоминать необычные и красивые научно-популярные ролики «Наука над земным шаром» (Science off the Sphere) астронавта Дональда Петтита.

→ Первая часть

Эпизод 8. Жижа

Любопытные эффекты начинаются, если на динамиках для ноутбука мы заменим воду на неньютоновскую жидкость(в данном случае — раствор крахмала консистенции блинного теста). У неньютоновской жидкости вязкость зависит от градиента скорости. Кукурузный крахмал увеличивает свою вязкость при сдвиге, поэтому на вибрирующем динамике часть раствора будет вести себя как твердое тело и будет стремиться улететь прочь. Но удалившись от источника вибрации раствор снова станет жидкостью и начнет испытывать силы поверхностного натяжения, которые будут стремиться затащить его обратно в динамики. В результате появляется сложная форма, которая будет изменять свой внешний вид и достаточно далеко удаляться от динамика, как будто нечто живое.

Вопрос:

Кукурузный крахмал увеличивает вязкость при сдвиге. А что будет, если вместо него использовать уменьшающее вязкость при сдвиге вещество, например, кетчуп?

Ответ

Уменьшающее вязкость при сдвиге вещество будет стремиться разлететься, а не собраться в кучу. На краях колонки, где кончаются колебания, такое вещество будет собираться и формировать кольцо.

Эпизод 9. Электродиджериду

Диджериду — народный духовой инструмент австралийских аборигенов. Эвкалиптовая труба длиной от одного до трех метров в «Союз» не влезла, поэтому Дональду пришлось экспериментировать. На МКС нашлись трубы для пылесоса, которые, оказывается, издают очень похожий звук (сравните с оригинальным инструментом). Просто труба, труба с насадкой или две соединенные трубы звучат по-разному. А чтобы усладить не только слух, но и зрение Дон Петтит и Дэниел Бёрбэнк вживую писали звук на микрофон и подавали его на динамики. Получившийся экспериментальный инструмент смешивает науку, культуру, физику и предметы для уборки.

Вопрос:

Почему количество воды на колонках влияет на то, как часто вылетают брызги?

Ответ

Чем больше воды, тем больше площадь ее поверхности. Динамики действуют с силой на полусферу воды, увеличивая давление внутри. Давление — это сила, поделенная на площадь, поэтому в большой капле один и тот же звук будет создавать меньшее давление, чем в маленькой. А чем меньше давление, тем меньше вероятность, что в какой-то точке оно преодолеет силу поверхностного натяжения, и улетит новая капля.

Эпизод 10. Леговатты

На МКС есть LEGO. Что еще забавнее, там есть даже официальная инструкция от NASA с примерами полезных образовательных конструкций. Но, поскольку идея лего состоит в творчестве, Дональд торжественно отбрасывает инструкцию и собирает генератор Ван де Граафа с лейденской банкой. Эти древние устройства (лейденской банке скоро будет 275 лет, а генератору — 90) немного странно смотрятся на МКС, но, тем не менее, прекрасно работают. Генератор Ван де Граафа позволяет получить очень высокое напряжение (при очень небольшом токе), а лейденская банка представляет из себя простой конденсатор. В результате их работы получаются отчетливо слышимые электрические разряды. А под конец видео Дональд, натирая пенопласт о разные материалы, сообщает ему положительный или отрицательный заряд. В результате заряженный кусок пенопласта притягивается к противоположно заряженному генератору или отталкивается от одноименно заряженного.

Вопрос:

Почему бытовая розетка, в которой напряжение 220 вольт опасна для жизни, но Дональд может спокойно касаться лейденской банки с напряжением 30 тысяч вольт?

Ответ

Убивает ток, а не напряжение. Напряжение только определяет способ, которым течет ток (отсюда следует, что при очень небольшом напряжении даже большой ток не будет течь через тело человека и не будет представлять опасность — прим. перев). Лейденская банка может иметь напряжение 30 000 вольт, но имеет очень маленький заряд, это значит, что ток будет очень маленьким. Генератор Ван де Граафа генерирует очень маленький ток, и поэтому не имеет смысла использовать его на электростанции. А в розетке может быть очень большой ток, что делает ее смертельно опасной.

Эпизод 11. Лопаем шарики в невесомости

В детстве некоторые из вас наполняли шарики водой и бросали их с высоты (или в кого-нибудь). Хорошо быть космонавтом — можно лопать шарики с водой в космосе и называть это научно-популярной передачей. Если серьезно, то после того, как шарик лопнул, с водой происходят интересные вещи. Прежде всего, возникают две ударные волны, которые формируют фигуру, похожую на цилиндр. Затем вода по форме становится похожей на картошку и, если бы ей дали время успокоиться, в конце концов она бы стала сферой.

Вопрос:

Почему вода колеблется между цилиндрической и картофелеобразной формами?

Ответ

Когда шарик лопается, вода находится в форме картошки, и появляется импульс внутрь с концов. Скорее всего потому, что на концах шарик толще. Затем вода сплющивается в цилиндр, и силы поверхностного натяжения удерживают ее от того, чтобы она совсем разлетелась. В этот момент поверхностное натяжение с боков сжимает воду, делая ее форму картофелеобразной, и запускает цикл заново. Со временем вода успокаивается и становится сферой.

Эпизод 12. Теория пружин

В невесомости пружина будет преодолевать только силу трения о воздух (а она небольшая), и подвешенная между пружинами гайка будет колебаться очень устойчиво. Период колебаний зависит от массы, и на этом принципе работают космические весы — космонавт занимает место гайки на мощной пружине. А вот симулировать гравитацию пружиной, прицепив ее к маятнику, не особо удалось — получился скорее гармонический осциллятор, потому что период колебаний будет зависеть от массы (в физическом и математическом маятниках масса груза не важна).

Вопрос:

Двадцать колебаний первая гайка совершает за 21,26 секунд, вторая — 10,7 секунд, а третья — 14,2 секунд. Какова масса гаек друг относительно друга?

Ответ

Первая гайка в 3,95 раз тяжелее второй и в 2,24 раза тяжелее третьей. Третья в 1,76 раз тяжелее второй.

Пояснение: В задаче меняется только масса гайки. Она пропорциональна 1/(f)^2. Зная частоту, получаем соотношение масс.

Эпизод 13. Астродувы

Простейшее действие «подуть на воду» в невесомости порождает сложное взаимодействие поверхностных и внутренних волн, которое к тому же красиво настолько, что чуть ли не половину ролика мы слышим восторги Дональда. А если прыснуть воду вместо воздуха, то ее больший импульс может даже породить большой пузырь внутри воды. При этом, благодаря капиллярным силам, пузырь воды удерживается в кадре, прилипая к проволоке. А после, «будь он параллелепипед», эксперимент будет выпит, ибо пафос экономии ресурсов.

Вопрос:

Как объем воды влияет на реакцию водяной сферы на волны?

Ответ

С увеличением водной сферы увеличивается ее масса, и сфера будет иметь большую инерцию. Все большая часть импульса от воздуха будет переходить в создание волн, и все меньшая в движение сферы. Колебания большего тела вызовут больший откат воды назад, чем у меньшего тела. Также, колебаниям поверхности потребуется больше времени, чтобы достигнуть противоположного конца сферы

Эпизод 14. Йо-йо

Даже в игрушке вроде йо-йо при желании можно найти много физики, особенно в невесомости. Дональд показывает трюки с йо-йо, придумывая им названия (кто первый придумал трюк, тот его и называет, а в невесомость йо-йо, похоже, еще не брали). В ролике есть достаточно забавный длинный пассаж Дональда: «Знайте физику своих игрушек. Если вы понимаете, как она работает, то можете участвовать в замечательных беседах. Если вы парень, то можете впечатлять девушек рассказом о физике. Конечно, некоторых девушек это не заинтересует, но с такими в любом случае не стоит общаться. Наоборот (для девушек) тоже работает. А еще вы сможете найти хорошую работу и играть с удовольствием в свободное время.»

Вопрос:

Как трюк «маневр с тросом» (0:50) используется в реальных спутниках?

Ответ

Йо-йо Дональда работает как оконечная масса в тросовой системе с передачей импульса. Дональд закручивает нитку (трос), вызывая центростремительную силу на йо-йо. Учитывая, что система двух тел обращается вокруг общего центра масс, а рука Дональда имитирует спутник, йо-йо и рука будут испытывать постоянное ускорение. Передача импульса произойдет, если оконечную массу отпустят, что приведет к изменению орбиты спутника.

Иллюстрация для наглядности:

Прим. перев. — подобный эксперимент проводился с капсулой «Фотино», которую успешно свели с орбиты при помощи троса.