Уроки: Physics

10 уроков

• Акустика: как комнаты, уши и аудиотехника работают со звуком – Акустика — это наука о звуке: как он возникает, как распространяется и отражается в комнатах, как мы его слышим и как записываем. В комнате мы слышим прямой звук и множество отражений; время, за которое звук затихает, называется временем реверберации: T = 0,161 V / A (формула Сэбина). Мягкие материалы поглощают звук и уменьшают T. Громкость измеряют в децибелах, высота тона зависит от частоты, а тембр — от набора обертонов. Микрофон превращает звук в электрический сигнал, компьютер переводит его в числа, а MIDI передаёт команды для нот, а не сам звук.
• Бетон, железобетон и стальные конструкции – Бетон прочный, когда его сжимают, и слабый, когда его растягивают. Стальные прутья в том месте, где возникает растяжение, превращают его в железобетон. Стальные каркасы из треугольников лёгкие и перекрывают большие расстояния. На ферме есть всё три вида: облицовка каналов, водяные баки, силосные башни, мосты и навесы.
• Генератор переменного тока и трансформатор – Генератор переменного тока вращает катушку в магнитном поле. Поток через неё всё время меняется, поэтому возникает эдс e = NBAω sin ωt с амплитудой NBAω. Трансформатор использует взаимную индукцию двух катушек на одном железном сердечнике: Vs/Vp = Ns/Np. Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток, понижающий делает наоборот. Мощность почти не меняется (Vp Ip ≈ Vs Is).
• Оборудование кондиционирования воздуха – В центральной системе кондиционирования чиллер охлаждает воду, а приточная установка (AHU) очищает воздух, охлаждает его и гонит по воздуховодам в комнаты. Отдельные блоки, например сплит-системы, обслуживают одну комнату. Охлаждением управляют термостат и клапан, а энергию экономят разумной заданной температурой, теплоизоляцией, инверторами и переменным расходом воздуха. Простой расчёт: расход воздуха V = Q / (rho cp deltaT), площадь воздуховода A = V / v, COP = холод / мощность.
• Проектное обучение в сельском строительстве – Проектное обучение значит учиться, выполняя одну настоящую небольшую работу от начала до конца. В фермерском строительстве команда находит проблему (грязная дорожка), составляет план, безопасно строит, проверяет результат, а потом делится отчётом и улучшает работу. Цикл такой: проблема, план, работа, проверка, отчёт.
• Ускорение свободного падения и его изменение с высотой и глубиной – Ускорение тела, свободно падающего возле Земли, равно g = GM/R² ≈ 9.8 м/с². Оно не зависит от массы падающего тела. На высоте h значение g уменьшается: g_h = g R²/(R + h)², а при малых h примерно g(1 − 2h/R). На глубине d значение g тоже уменьшается: g_d = g(1 − d/R). В центре Земли g = 0. Значит, g наибольшее на поверхности.
• Электрические заряды и поля – Заряды бывают двух видов, сохраняются и состоят из целого числа порций e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C. Два точечных заряда отталкиваются или притягиваются с силой F = kq₁q₂/r² (k = 9 × 10⁹ N m² C⁻²). Силы и поля от многих зарядов складываются как векторы (принцип суперпозиции). Поле E = F/q₀ точечного заряда равно kq/r², а силовые линии помогают его увидеть. Диполь (заряды ±q на расстоянии 2a) имеет момент p = q·2a; в однородном поле суммарная сила на него равна нулю, но есть вращающий момент τ = pE sinθ. Электрический поток Φ = E·A, а теорема Гаусса говорит: поток через любую замкнутую поверхность равен q_внутри/ε₀. Так легко находят E для длинной нити (λ/2πε₀r), плоскости (σ/2ε₀) и тонкой сферической оболочки (kq/r² снаружи, 0 внутри).
• Электрический ток, напряжение и электрическая цепь – Сила тока показывает, какой заряд проходит через проводник за секунду: I = Q/t. Её измеряют в амперах амперметром, включённым последовательно. Напряжение равно работе по перемещению единичного заряда между двумя точками: V = W/Q. Его измеряют в вольтах вольтметром, включённым параллельно. Заряд течёт только по замкнутой цепи.
• Электромагнитная индукция – Когда магнитный поток через катушку меняется, в ней возникает ЭДС: ε = −N dΦ/dt (закон Фарадея). Знак минус — это правило Ленца: индукционный ток всегда противодействует изменению, которое его вызвало. Стержень, движущийся в поле, даёт ЭДС ε = Blv. Меняющийся ток создаёт ЭДС в собственной катушке (самоиндукция, L) и в соседней катушке (взаимная индукция, M).
• Электромагнитные волны – Меняющееся электрическое поле действует как ток, его называют током смещения, и оно создаёт магнитное поле. Меняющееся магнитное поле создаёт электрическое. Вместе они бегут как электромагнитная (ЭМ) волна со скоростью c = 3 × 10⁸ м/с, даже в пустоте. Векторы E и B перпендикулярны друг другу и направлению движения, поэтому ЭМ волны поперечные. Если расположить их по длине волны, получится спектр: радиоволны, микроволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолет, рентген и гамма-лучи.