Новый год - один из самых любимых нами праздников. Традиционно мы используем некоторые атрибуты, которые делают праздник ещё интереснее и ещё красивее. Откуда же здесь физика? Физика есть везде! Ведь это наука о природе и явлениях природы :)
В преддверии наступающего Нового года, давайте обсудим, какие интересные физические явления лежат в основе привычных нам новогодних чудес.
Физика новогодней гирлянды
Гирлянда - один из самых ярких и красочных новогодних атрибутов. Когда-то давным давно гирлянды изготавливали из самых обычных свечек. Когда появилось представление об электрическом токе, человечество использовало их ещё и для создания волшебной атмосферы. В гирляндах стали использоваться лампочки. Сейчас же, все гирлянды делают из полупроводниковых светодиодов.
Не столь важно, из чего именно будет собрана гирлянда (кроме свечек, само собой). Важно, что для понимания принципа работы ёлочной гирлянды важно иметь представление о параллельных и последовательных соединениях проводников.
Светодиоды (или лампочки) в гирлянде соединены именно параллельно друг с другом. Это значит, что напряжение на каждом элементе одинаковое, а сила тока складывается из суммы токов на каждом источнике света. Это полезно знать, если вы вдруг решили собрать гирлянду своими руками или выполнить несложный ремонт. Заодно и вспомнили, для чего вообще физика изучает соединения проводников.
Светодиоды в гирлянде
Как мы уже сказали, большинство современных гирлянд собраны из светодиодов. Что же это такое и чем они лучше лампочек?
Изначально светодиоды отличались только энергоэффективностью. Гирлянда из светодиодов тратила гораздо меньшее количество энергии, чем гирлянда из лампочек накаливания, а заодно была и пожаробезопасной. Но в процессе развития технологии светодиодов оказалось, что и световой поток можно получить гораздо более яркий. Значит, и новогодние огоньки можно сделать намного более красивыми!
Сам светодиод - это полупроводник (подробнее об этом типе материалов можно прочитать тут). В процессе p-n перехода выделяется квант света. Именно его мы и видим своими глазами. Он может иметь разный цвет. Цвет напрямую зависит от типа кристалла, который используется в светодиоде или, точнее сказать, от его химического состава. Именно поэтому гирлянды имеют столько интересных ярких вариантов свечения!
Но яркие светодиоды научились делать не так давно. Добиться яркости удалось благодаря появлению люминофоров. Люминофоры - это материалы, которые способны поглощать световой поток и в ответ отдавать ещё большее количество света. Все яркие светодиодные лампочки, которые мы сегодня видим, состоят из полупроводника и пластиночки люминофора. Именно люминофор значительно усиливает свечение.
Как гирлянда моргает
Помимо яркого свечения гирлянды ещё умеют красиво моргать. Для реализации этой возможности используется несколько подходов.
Самый простой вариант встроить в электрическую схему так называемую моргающую лампочку. Эта лампочка включается в электрическую схему и фактическую разрывает цепь при некоторых условиях. Когда такая лампочка нагревается - контакт меняет свой геометрический размер и вся цепь размыкается. Как только она остынет - контакт опять восстановится. Гирлянда загорится. В итоге мы сможем наблюдать мигание гирлянды.
Более сложный вариант - это собрать блок управления. Стандартный блок управления построен на базе тиристоров. Тиристором называется полупроводниковая деталь, переход в которой происходит только при определенных условиях. Она как выключатель - или включена или выключена. Если упростить эту формулировку, то цепь замкнута или не замкнута благодаря тиристору, а тиристор меняет этот ключ при определенных условиях. Из-за этакого коридора пропускания, тиристоры активно применяются для регуляторов мощности.
Всё это были "механические схемы". Но можно усовершенствовать схему благодаря использованию микроконтроллера. Например, при интеграции в схему контроллера типа Arduino, можно сделать из гирлянды цветомузыку и заставить моргать в такт приятной мелодии. Правда тут стоит отметить, что и это "механическая схема", но гораздо более сложная и с возможностью программирования.
Почему бокалы звенят при соударении
Казалось бы, вполне понятное явление. Но задумывались ли вы, чем характеризуется тип звука, который издают предметы при соударении?
Конечно же, как и везде, процесс определяется внутренним строением материала.
Наверняка вы бывали на вокзалах и видели, как там ходят мужички в оранжевых жилетах и стучат по металлическим деталям кувалдой. Делают они это для того, чтобы обнаружить трещины и дефекты. Если металл без дефекта, то он звенит как колокол при каждом ударе. Если же звук удара рассеивается, то структура где-то повреждена и деталь необходимо ремонтировать или заменять.
Распространение механической волны внутри образца похоже на распространение волны в самом обычном одеяле. Если волна упирается в дырку на одеяле, то она не распространяется. Также и тут. При ударе по металлу в нем возникает механическое колебание, которое распространяется внутри металла и издает характерный звук при "спрыгивании" с края железки.
Аналогичная ситуация наблюдается и с бокалами для вина. Малейшее соударение приводит к тому, что волна распространяется по стеклу, а когда доходит до границы образца, мы слышим характерный звук стеклянного удара от вторичного источника волны. Приятный же звон определяется спецификой стекла, из которого сделан бокал.
Почему некоторые шарики светятся, когда свет вокруг выключен
Давным давно для того, чтобы ёлочные шарики сохраняли свечение в темноте использовали фосфор. Точнее не фосфор, а составы, которые в простонародье именовали фосфором. Этот химический состав позволял добиться приятного зеленовато-голубого свечения.
Сегодня же подобные варианты украшений тоже используются.
Наверняка вы помните, что прежде, чем такая игрушка засветится - её нужно "зарядить" на свету. Этот процесс сходен по логике с люминесценцией, о которой мы рассказали чуть выше. Называется он фосфоресценция. При такой схеме энергия сначала накапливается в веществе, но выделяется постепенно.
Что горит в мандаринах
Казалось бы, мандарин - штука не горючая. Все привыкли, что хорошо горят, например, спиртосодержащие соединения. Но в мандаринах их нет. Можно выделить их искусственно, но об этом чуть позже.
Если же вы нажмете на мандарин рядом с горящей свечей, то незамедлительно увидите столб пламени.
Оказывается, в шкурке мандарина содержится большое количество эфирного масла. Именно оно характеризует приятный и знакомый всем новогодний запах! Заодно это эфирное мало великолепно горит!
Наверняка вам будет интересно узнать, что на базе очисток от мандаринов и прочих цитрусовых можно создать даже альтернативное топливо. Не так давно даже был запущен такой экспериментальный завод. Планируется, что в год будет производиться около 190 000 литров этанола из апельсиновых и мандариновых корок.