Инерционность среды

Почему я говорю об инерционности среды, а не о её инертности? Среда состоит из конкретных веществ, и слово «инертность» применимо к определённому газу или иному веществу. Например, вода (влага), входящая в атмосферный воздух, обладает инертностью. Хотя постоянство точек кипения и замерзания жидкостей, равно как важность этих явлений для устройства термометров были замечены давно, но теоретическая сторона этих явлений оставалась почти не затронутой.

Жан Андре Делюк (1727-1817) в течение 1754-1755 г. замораживал воду, оставляя в ней термометр. Когда сосуды с замёрзшей водой ставились на огонь, температура их повышалась лишь до тех пор, пока лёд не начал таять; затем вся поступающая теплота поглощалась, и термометр оставался на 0°, пока не исчезал весь лёд. Ещё более точные опыты произвёл около того же времени Джозеф Блэк (1728-1799), изложив их в 1757 г. на своих лекциях по химии. Казалось бы, на том основании, что равные количества одного и того же вещества должны при смешивании давать среднюю температуру, Блэк нашёл, что после погружения в воду при 172° Фаренгейта куска льда равного ей веса при 32° Фаренгейта получается смесь, температура которой не средняя 102°, а 32°, т.е. температура льда; но зато весь лёд превращался в воду. Общий объём смеси уменьшался.

Эти опыты позволили обнаружить в Природе эффект «тающего льда», когда тот принимает в себя много тепла, но всё действие ограничивается превращением льда в воду, которая нисколько не согревается против бывшей температуры льда. При этом тепло как бы поглощается водою или скрывается в ней таким образом, что термометр не обнаруживает его присутствия. Указывая далее на то, что как при плавлении льда, так и при кипении воды некоторое количество тепла потребляется без повышения температуры воды, он применяет здесь выражение «скрытая теплота».

Кстати, именно свойство воды “запасать” в себе теплоту и неохотно “отдавать” является тем самым ИСТОЧНИКОМ НЭГЭНТРОПИИ в мироздании, которая, противоположно якобы «бесконечно растущему хаосу», упорядочивает системы или количество имеющейся в системе энергии, организует и успокаивает любые встряски, резкие возмущения, мощные вибрации, – благодаря сегрегациям эфира, в которых находится каждая капля воды, независимо от её агрегатного состояния. Поскольку же вся Вселенная заполнена водой и производными от неё газами и соединениями газов, то утверждать о «растущем хаосе во Вселенной» скорее просто глупо, нежели слишком опрометчиво.

Определение «инерция» я отношу в основном к телам, как покоящимся, так и движущимся, а «инерционность» – скорее к окружающей среде и энергетическим потокам, – так легче воспринимать данные явления, чтобы не путаться.

Каждый в детстве подбрасывал мяч и воздушный шарик и обращал внимание на то, что эти предметы ведут себя в одном и том же воздухе не одинаково. Более того, брошенный вдаль мяч улетал дальше всего при наклоне к горизонту на 45°. Если же при одинаковой силе броска угол был больше или меньше, чем 45°, то дальность полёта уменьшалась. Данный феномен напрямую связан с инерцией мяча во взаимодействии с инерционностью среды. Однако, не каждый физик сегодня сможет ответить на вопрос, почему мяч летит дальше всего именно при 45° к горизонту? Попробуйте ответить прежде, чем читать далее этот текст.

* * *
Человечество развивается скачкообразно. Новые возможности познания Природы вокруг и мироздания в целом позволяют устанавливать новые правила в науках: философских, геометрических, физических, математических, химических и иных.

Переход от восприятия статики в наблюдаемых стационарных положениях тел и объектов в окружающем пространстве к динамике их линейного перемещения и вращения требуют нестандартных подходов и «начал», новых математических приёмов и усовершенствования базового инструментария, вплоть до его замены на более наукоёмкий, позволяющий заглянуть в таинственные уголки Природы и распознать в них признаки происходящих явлений, процессов и закономерностей.

С другой стороны, человечество развивается по спирали. Познавая материю в рамках осязаемого, наблюдатели и исследователи непременно упирались в тупик и понимали, что их исчерпывающие знания ограничены.  Дойдя до определённого уровня развития, так или иначе, учёные понимали, что существуют области, не подвластные уму, которые находятся за пределами их уразумения и восприятия.

Но всегда на определённых этапах развития человечества по спирали возникали моменты, когда устаревшие взгляды и общепринятые фундаментальные правила требовали увязки с реальностью – теми и только теми существующими явлениями и процессами, которые действительно фиксируются в окружающей среде, а не принимаются исходя из абстракций, гипотез и умозрительных заключений.

Сегодня нужно признать тот факт, что науки, пытающиеся описывать мироздание, находятся в глубочайшем кризисе “непонимания”, – невозможности объяснений с достаточной ясностью и достоверностью большинства исследуемых феноменов, которые наблюдаются в окружающей среде нашего обитания. Противоречия сами по себе не возникают на пустом месте. Знания, “добываемые” из учебников, и настоящие исследования Природы, – это, как говорят в Одессе, – две большие разницы. Больше всего противоречий возникает в теориях, которые базируются на фантазиях, не согласующихся с реальностью. К примеру, в последние 20 лет возникла и распространилась так называемая теория «Суперобъединения» (российский автор – Леонов В.С.), в которой сам автор во многих умозрительных положениях утверждает гипотетичность подхода к пониманию пространства как «физического вакуума», но уверяет, что введение им неких мифических частиц с названием «квадруполь» связывает воедино электромагнитные, сильные, слабые и «гравитационные» (не существующие в Природе) взаимодействия.

В результате, автор как разработчик теории и экспериментатор, предложил свой вариант «летающей тарелки», которая, как ему до сих пор кажется, заменит все известные космические и ракетные двигатели. Но испытания его «аппарата» пока что потерпели полное фиаско: «летающая тарелка» не смогла подняться даже на высоты, достижимые воздушным шаром и другими летательными аппаратами, не говоря уже о ракетной технике. Заявленные «антигравитационные» способности его “научной фантастики” не дали результата. Таким образом, потенциальный теоретик попусту затратил немало сил и своих средств, дабы осуществить затею.

В.С.Леонов просто не осознал, что пространству как чисто абстрактному объекту, нельзя приписывать какие бы то ни было свойства, а окружающая среда вовсе не состоит из мифического «физического вакуума» и из придуманных «квадруполей».

Но тогда из чего же на самом деле состоит окружающая нас среда обитания?

Этот вопрос мучает всех, кто для себя решил познать, как устроен мир. Больше всего сводит с ума всем известное действие, когда подброшенное вверх тело или предмет возвращается обратно на землю. Однако, опять же, будем честны перед самим собой: далеко НЕ ВСЯКИЙ подброшенный вверх предмет опускается вниз. Есть такие, которые каким-то чудесным образом подхватываются ветром и иными «таинственными силами» и уносятся далеко-далеко, что их и не сыщешь. Я ввёл специально на своей страничке раздел «Физика для чайников», где разместил и ещё буду размещать все основные опыты и “противоестественные” положения, о которых не пишут в учебниках и не преподают в школах и университетах, но о которых знали наблюдательные люди и сто лет назад, и много раньше.

Каждый из нас попадал в ситуацию, когда шквальный ветер буквально сдувал с ног, выламывал зонтик или вырывал его из рук и уносил в небо. Тем не менее, ветер вдруг стихал и погода как бы самопроизвольно “устаканивалась”…

Так в чём же секрет «опускания» тел и предметов на землю? Представьте себе «пустоту», в которой нет ничего. Вы не сможете себе представить то, чего нет в Природе и того, что невозможно ощутить или почувствовать на себе. Абстрактно можно, конечно, выделить некий геометрический объём, например в форме куба, нарисовать его, предположив, что именно так выглядит несуществующая пустота, каким бы термином её в дальнейшем ни называли («мифический вакуум» или ещё как-то). Посмотрите на две пары картинок 1,2 перед текстом. Они предназначены для третьеклассников, которым в школе ещё не начали преподавать физику.

Найдите на рисунках отличия. На крайнем слева в выделенном геометрическом объёме внутри пусто! Но это всего-навсего картинка, а не реальность. Второй рисунок специально объединён с первым; на нём мы видим разделение пустоты на фрагменты, одинаковые по размерам и объёмам. Их поместилось ровно 9. Мы не сразу обратили внимание, чем отличается первая группа (1) от второй (2). Но кто сообразительней, подметит, что объёмы во всех четырёх геометрических формах совершенно одинаковые, и всё же выглядят они по-разному. Художники знают о перспективе объекта, связывающей их взор с восприятием окружающей реальности – именно по этому признаку различаются две вторые картинки (2) от первых (1).

Математики, среди которых больше всего абстракционистов, уверены в том, что две параллельные линии не пересекаются. Но наш глазомер видит обратное: вдали параллельные линии сходятся. Однако, даже художники не знают всех тонкостей перспективы. Оказывается, когда мы смотрим в даль, линии сходятся, а совсем близко к нам они вдруг расходятся! Когда вы “стреляете глазом” по крышам высотных домов вдали, воспринимаете их в уменьшенном масштабе, то вам кажется, что линия перспективы прямо уходит к горизонту. Но это только вам так кажется: эта линия чуть искривлена, она уходит в даль по геометрической кривой, называемой гиперболой. Когда вы приближаетесь к тем же самым домам ближе, они растут на ваших глазах не равномерно, а опять-таки по гиперболе. Правила художества часто пренебрегают выстроенной Природою пропорциональностью. И поравнявшись с высоткой, вы вдруг обнаруживаете десятки этажей, устремлённых в небо всё по той же кривой – гиперболе.

Где-то на подходе к небоскрёбу, именно в районе 45°, если соотнести с графиком гиперболы, происходит метаморфоза в соразмерности перспективы длины в даль и в высоту. Только эту точку “перегиба” наш глазомер не научился определять. То же самое можно наблюдать и с измерением веса.

В предыдущем рассказе «Инерционный вес» были показаны опыты с картиною на весах. Распределив вес картины на две опоры на одинаковом расстоянии от центра равновесия, мы получаем половинный вес её на каждую опору. Поставив картину вертикально на весы, получим полный её вес. Что будет, если наклоним картину от вертикали на небольшой угол, придерживая пальцем, чтобы она не упала? Часть веса картины будет приходиться на палец, который служит опорой. Таким образом, весы тут же покажут уменьшение веса. Данный эксперимент для любого ребёнка настолько простой и понятный,, что он может его показать своим родителям и учителям в школе.

Теперь если расположить картину горизонтально и начать поднимать чуть-чуть за одну сторону пальцем, удерживая вторую её сторону на опоре весов, половинный вес по показанию весов начнёт расти. Значит, приходящийся на палец вес будет на столько же уменьшаться. Только обнаруживается существенная особенность: показания весов при наклоне картины, конечно, пропорционален углам наклона, но не равномерно: если нарисовать график изменения инерционного веса, то получим всё ту же гиперболу с характерным перегибом на углу 45°. Объясняю ещё раз: инерционный вес вертикально расположенной картины при малых углах наклона будет уменьшаться слабо; при подъёме картины из горизонтального положения инерционный “полувес” картины начнёт расти также еле-еле. Но стоит приблизиться к отметке 45°, показания весов будут стремительно меняться.

То же самое произойдёт и в опыте с “торричеллиевой пустотой”, только там по наклону трубки, опущенной в ртуть, будет определяться изменение атмосферного давления, а не инерционного веса. Причём зависимость та же – гиперболическая.

Но как все эти измерения зафиксировать для лёгкого восприятия увиденного эффекта? Для этого как раз служит крайний правый рисунок расчерченного куба с закрашенными слоями более тёмным цветом (фоном). Так выглядит атмосферное давление вблизи земли, которое всех нас ПРИДАВЛИВАЕТ, а не «притягивает» не  существующей в Природе «гравитацией». Плотные слои атмосферы образуются не столько из-за того, что “верхние слои воздуха давят на нижние”, но в большей степени из-за того, что в нижних слоях атмосферы значительно больше ВЛАГИ, – намного более плотного вещества по сравнению с воздухом. Нам всем учителя в школе рассказывают про круговорот воды в Природе, но никто не акцентирует внимание на том, что плотность воды составляет 1000 кг/м^3, что в ~ 775 раз больше плотности [влажного] воздуха – 1,29 кг/м^3. В одном и том же объёме вес воды значительно больше веса сухого воздуха. Плотность воздуха меняется в зависимости от температуры, давления и влажности. При 20°С, давлении 101,325 кПа и сухом воздухе его плотность составляет около 1,2 кг/м^3. 

Эффект Доплера, о котором преподают на уроках физики в старших классах, по сути показывает инерционность среды – такое же самое распределение давления звука при движении в окружающем нас эфире. Понятно, что без эфира (в вакууме) звук не передаётся. Таким образом, необходимо учитывать множество факторов, а не какой-то один. Здесь нужно понимать, что энергетические потоки зависят от направления движения и от контактной площади поверхности. Тот же эффект сжатия-растяжения воздушной среды в эффекте Доплера мы можем показать на том же крайнем кубе с затемнёнными слоями, если повернём куб на 90°, т.е. расположим слои не горизонтально, а вертикально.

А что покажут весы при взвешивании, если резко приседать, стоя на них?

Лучше всего этот опыт прочувствовать. Если дома есть напольные пружинные весы, встань на них и сделай приседание. Смотри-ка: в момент приседания весы показывают меньший вес! Ну да, ведь падающее тело теряет инерционный вес, в чём мы только что убедились, измеряя вес картины при её наклоне. Теряет вес тело полностью, если оно оборвалось и падает свободно. А ты, стоя на весах, не совсем падаешь, а только быстро опускаешься. Вот и вес твой теряется не совсем, не полностью, а только уменьшается, – отличное средство для похудения без соблюдения диет, – одним упражнением на весах! Жаль, что это средство для уменьшения веса действует очень недолго: перестанешь приседать – и весы показывают то же, что и до опыта.

Можно подобным образом и «поправиться». Стоя на весах, быстро подними руки вверх. В момент движения весы покажут больший вес. Но тут есть и остаточные явления, которые легко увидеть. Когда резко вскинешь руки, стрелочные весы покажут больший вес, а потом стрелка начинает качаться и останавливается на том же самом значении веса, который был до опыта. Кстати, недобросовестные продавцы в магазинах и на рынках для обмана покупателя швыряют товар на весы – стрелка покажет больше истинного веса. Но продавец поспешно снимает товар с весов и ловко его заворачивает, прибавляя к истинному весу инерционный всплеск веса!

Другим хорошим упражнением является вращение на месте. Только хорошенько потренируйся, чтобы голова не закружилась. Я кручусь ежедневно по 21 разу по ходу часовой стрелки. Руки простираются сами перпендикулярно телу, испытывая на себе дополнительный инерционный вес. Их не так легко будет сложить или поднять над головой, даже направить вперёд или назад, – нужны дополнительные усилия, чтобы преодолеть инерционность и сопротивление среды одновременно.

В этих двух упражнениях раскрываются все основные тонкости инерционности среды в перемещении собственного тела и во вращении. Мы начинаем как бы изнутри чувствовать не только это природное явление, но и понимать многие другие. Так, например, видим и на себе ощущаем во вращении тела “магнетизм” и его силу отталкивания в распростёртых руках. В образующихся вихрях наблюдаем энергетический поток (подобно электрическому индукционному току). Реально то, что силовые и магнитные линии расположены перпендикулярно относительно друг друга. Если остановиться, тут же продадут и «электричество» и «магнетизм». Отсюда следует, что вихри являются причиной возникновения электромагнетизма и устойчивости тела (равновесия во вращении, как в гироскопе).

Мы балансируем всюду: при ходьбе и беге, при прыжках и полётах, проявляя инерцию во взаимодействии с инерционностью окружающей среды. Спортсмены наиболее чётко ощущают и определяют равновесное положение тела. Например, лыжники в прыжках с трамплина регулируют дальность полёта, стараясь лететь к горизонту под углом 45°. Теперь мы понимаем, почему они не просто скользят, разгоняясь вниз по спуску трамплина, но и вылетают с расправленными лыжами и руками, скользя по воздуху с наименьшим сопротивлением. Так ими достигается наилучший результат. Примеров можно приводить бесконечно много.

* * *
То что энергетические взаимодействия в инерционных потоках всюду одни и те же, показывают опыты с электричеством. В нижнем ряду – подопытные лампочки и соответствующие графики. Правда коммутаторная лампочка преждевременно покинула наш бренный мир (оказалась перегоревшей).

Измеряем реальное сопротивление трёх оставшихся ламп при комнатной температуре:
Лампа 36 В 120 мА. Сопротивление 39,9 Ом. Расчётный пусковой ток 0.9 А
Лампа 13 В, мощность или ток неизвестны, от какой-то ёлочной гирлянды ещё времён СССР. Реальное сопротивление 20.5 Ом. Расчётный пусковой ток 0,63 А
Лампа 24 в 3 Вт. Сопротивление 23,2 Ом. Расчётный пусковой ток 1,03 А, рабочий 0,125 А

Измерение пускового тока в данном случае – подобно приседанию на весах, вернее – вскидыванию рук вверх, когда инерционный вес возрастает. Отметим, что интенсивность поднятия рук у нас  слишком мала по сравнению с пусковым током (при подаче напряжения на холодную лампу), – оно примерно в 9 раз выше, чем номинальный рабочий ток. Поэтому распространённому утверждению, что пусковой ток лампы накаливания на порядок выше рабочего, соответствует действительности. Разумеется, некоторые отклонения здесь могут быть, например, для перекальных ламп. Но в целом, примерно так и есть.

Почему мы вспомнили про лампы накаливания и ставим опыты на них? Дело в том, что теоретики всюду ссылаются на “вакуум”, которого нет рядом нигде, кроме ламп накаливания. Ведь внутри лампы либо откачан воздух, либо инертный газ.

Однако, нам интересен не только пусковой ток, но и то, как изменяется ток через лампу в зависимости от напряжения на лампе. При этом не будем забывать, что неявным параметром здесь будет температура нити накала, которая отражает состояние термодинамического равновесия. Схема измерения стандартная, её нет смысла рисовать. Ток через лампу измеряем амперметром, а напряжение на лампе вольтметром. Питание осуществляется от регулируемого источника напряжения. (После текста в рецензии я приведу ссылку на информационный источник, откуда я взял описание данных опытов – с реальными графиками., без какого-либо сглаживания и усреднения, и с иллюстрациями всех картинок).

На графиках явно видны расхождения от теоретической кривой – по колебаниям показаний, как качания стрелки весов при приседании или вскидывании рук, покуда те не устанавливались в равновесное положение. Хотя видно, что ток действительно зависит от напряжения нелинейно. И причина здесь кроется в изменении сопротивления нити накала, которое измеряется линейно в зависимости от температуры, а вот термодинамические процессы эту линейность портят. Опять же, мы можем нелинейность термодинамических процессов в лампе накаливания сравнивать с полётом лыжника с трамплина, либо с картиной на весах, инерционный вес которой при опрокидывании изменяется нелинейно.

В опыте с лампами важно влияние тепловой инерционности нити накала. Это уже не скучные статические параметры, а динамические, снятые с осциллограмм. Это всё равно, что шлёпнуть на весы товар для увеличения инерционного веса или прыжок лыжника с крутого трамплина вверх лыжами, когда спортсмен «зависает», как вертолёт, и успевает сделать в воздухе пируэты и сальто с переворотами.

В лампе накаливания виден тот самый бросок тока при включении. Красный луч соответствует напряжению. Жёлтый луч – току. Хорошо видно весь переходный процесс в подопытных лампах. Начальный бросок тока, который значительно превышает рабочий ток. Плавное увеличение сопротивление нити накала, которое соответствует плавному изменению её температуры в процессе установления термодинамического равновесия.

Видно, что достижение равновесного состояния всех процессов, теплового и электрического, действительно нелинейное. Горизонтальная ось является осью времени. Одно большое деление соответствует 10 мс. Таким образом, для установления равновесного состояния на первой лампе требуется порядка 40 мс. Нить накала данной лампы не очень инерционная.
Вторая лампа (от гирлянды) более низковольтная и её мощность тоже меньше. Поэтому и пусковой, и рабочий, токи меньше, но соотношения между ними примерно такое же. Однако, обратите внимание, насколько меньше тепловая инерционность нити накала этой лампы. У неё очень тонкая и длинная нить накала. Малый вес нити и даёт уменьшение тепловой инерционности, всего порядка 15 мс. (Сравниваем со спортсменом на трамплине, у которого меньший инерционный вес при стандартном одинаковым для всех размере лыж).
Параметры третьей лампы близки к параметрам первой, осциллограммы схожи. Но первая лампа является осветительной, а вторая индикаторной. Хотя, как мы видим на практике, это влияет не сильно. Тепловая инерционность нити накала чуть меньше, чем у первой лампы, 30 мс. И действительно, нить этой лампы немного тоньше, она линейная и закреплена на держателях, а не спиральная, держащаяся только на проводниках-электродах. Впрочем, разница невелика.

* * *
Ещё один эксперимент показан в опыте с аэродинамической трубой, который я поставил однажды на своей родной кафедре в университете (альма-матер). Это было в 2010 году. Пластина размещена вдоль потока. Показаны два фрагмента – первичные замеры параметров (как эталон) и повторные – после нанесения на пластину специального антифрикционного нано материала нашего производства (ПТФЕ, он же – Политетрафторэтилен или Teflon). На среднем фото показана зеркальность покрытия, что даёт снижение сопротивления от набегающего потока в аэродинамической трубе порядка (3-4)%, при прочих равных условиях. Данный опыт даёт возможность снижения лобового сопротивления фюзеляжа самолёта и его крыла, как и на разных углах атаки, что приводит в итоге к снижению расхода топлива и увеличению дальности полёта. Технология применима также в ракетно-космической отрасли.