Комплекс Физических Программ 2

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.

https://makarovphysics.com/

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.

https://makarovphysics.com/

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.

https://makarovphysics.com/

Альфа-двигатель Стирлинга

Два прозрачных цилиндра расположены буквой V, поршни движутся со сдвигом по фазе, а шатуны соединяют их с общим валом и маховиком. Внутри заключена одна и та же порция газа: для каждого нового оборота её не нужно заменять. Тепло поступает через стенки, и разность температур между горячей и холодной сторонами позволяет получать механическую работу.

Секрет двигателя — в согласовании температуры и объёма. При подходящем движении поршней расширение происходит преимущественно на горячей стороне, а сжатие — на холодной. Газ отдаёт при расширении больше работы, чем получает при сжатии. Между цилиндрами расположен регенератор: он временно запасает часть тепла проходящего газа и возвращает её при обратном движении. Фазовый сдвиг поршней определяет, как эти процессы сочетаются в одном цикле.

Меняйте температуры обеих сторон и сдвиг фаз, наблюдая за поршнями, давлением и диаграммой «давление — объём». Площадь замкнутой петли показывает величину работы газа за цикл, а направление обхода определяет её знак. Сравняйте температуры: в идеализированной модели работа за полный оборот исчезнет. Вал при этом может продолжать вращаться с заданной скоростью — здесь его движение задаётся отдельно, чтобы каждый этап теплового цикла можно было рассмотреть в удобном темпе.

Песочные часы

За прозрачными стенками тысячи песчинок собираются в насыпь, проходят через узкую горловину и образуют новую горку внизу. Переверните часы, и вся эта структура придёт в движение: зёрна покатятся по стеклу, столкнутся друг с другом и снова найдут путь вниз. Знакомый прибор превращается в маленькую лабораторию сыпучих материалов.

У каждой песчинки есть собственное движение и вращение. Тяжесть тянет её вниз, а контакты с соседями и стенками перераспределяют силы. Трение и неупругие столкновения рассеивают механическую энергию, помогая насыпи остановиться. У узкого отверстия зёрна могут образовывать своды, способные задерживать поток. Поэтому поведение песка определяется не только силой тяжести: важны размер прохода, взаимное расположение частиц и свойства их контактов.

Выберите 2 000, 6 000 или 12 000 зёрен, меняйте диаметр горловины и трение, рассматривайте часы с разных сторон. Во время переворота движущиеся стенки передают частицам импульс, а после него можно снова следить за расходом и числом прошедших зёрен. Сопоставьте измеренный поток с эмпирической оценкой Беверлоо: она служит ориентиром для сравнения, а движение возникает из расчёта отдельных частиц. Модель использует укрупнённые сухие сферические зёрна, позволяя разглядеть механику, скрытую в обычной тонкой струйке песка.

Мастерская роборуки

Роборука поворачивает основание, сгибает плечо и локоть, подводит захват к предмету и переносит его на новое место. Действие, которое человеку кажется простым, требует согласованного движения нескольких суставов. В этой мастерской шестисуставный манипулятор работает с объёмными предметами на столе: их можно поднимать, сортировать и складывать друг на друга.

Чтобы поставить захват в нужную точку, необходимо подобрать углы суставов. Это задача обратной кинематики: известна цель движения, а положение звеньев ещё предстоит найти. Длина звеньев и допустимые углы ограничивают область досягаемости. Сами предметы подчиняются механике твёрдых тел: имеют массу и инерцию, падают под действием тяжести, сталкиваются и испытывают трение. После раскрытия захвата груз сохраняет своё движение, поэтому аккуратное размещение зависит и от того, где его отпустили, и от скорости в этот момент.

Управляйте отдельными суставами или задавайте координаты захвата, выбирайте предмет щелчком и меняйте скорость движения и предел массы груза. Затем поручите автоматике перенести выбранный объект, рассортировать шесть предметов или построить башню из трёх кубиков. Наблюдайте за последовательностью «подойти — захватить — поднять — перенести — опустить — отпустить», включайте след рабочего инструмента и сравнивайте ручное управление с автоматическим. Так геометрия движения становится видимой, а точность проверяется результатом на столе.

https://qiita.com/makarov-mm/items/8161a9ef5a0c32f8a380

https://zenn.dev/makarov/articles/c6f00df4be8e15