Можно ли добраться из Нижнего Новгорода до Москвы за 1 час? Как? На самолете. Действительно, воздушное судно находится в воздухе примерно час. Но сама процедура подготовки: добраться до аэропорта, пройти регистрацию и досмотры, доехать из аэропорта до города - занимает гораздо больше времени. Остается — железная дорога. Но Ласточка, которая сейчас курсирует между Нижним Новгородом и Москвой, затрачивает от 3,5 до 4 часов. Получается, что все-таки невозможно?
Возможно! Если внести некоторые изменения в конструкцию. Например, подвесить поезд над железнодорожным полотном. Чудеса! - скажете вы. Однако японские и китайские инженеры с вами не согласятся. В начале 2000 годов на железнодорожных путях появились поезда на магнитной подвеске, которые левитировали над рельсами. Подобный подход позволил уменьшить сопротивление и развить огромную скорость. Сегодня скорость такого “левитирующего” поезда достигает 400-600 км/ч и мы бы легко смогли доехать на нем от Нижнего до Москвы всего за 1 час.
Левитация — это состояние, при котором тело находится в устойчивом состоянии равновесия, при этом отсутствуют любые контакты с опорой или подвесом.
Подобное состояние возникает в невесомости. Посмотрите любой фильм про Космос, там все парит: от капель воды до бытовых предметов. Такое состояние в Космосе объясняется невесомостью, но как это становится возможным на поверхности планеты, где, как мы хорошо знаем, действует сила земного притяжения?
Идея о левитации родилась из легенды (рассказанной в 1503 году одним путешественником) о гробе пророка Мухаммеда, который парил над землей. Уже в начале XVII века Уильям Гильберт в своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле» формулирует задачу о возможности левитации с использованием магнитов. Развитие данной идеи мы наблюдаем в трудах Леонарда Эйлера, где «легенда о гробе» окончательно обретает образ красивой, сложной задачи о возможности левитации.
Первые предпосылки к осуществлению левитации были проведены Майклом Фарадеем. В его эксперименте было обнаружено, что окружающие нас тела по своим магнитным свойствам можно поделить на три вида: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Пара- и ферромагнетики — тела, притягивающиеся к магниту. У кого нет магнитика на холодильнике дома? Стенка холодильника — это сталь. С парамагнетизмом мы встречаемся не так часто, так как силы, возникающие между парамагнетиком и магнитом, малы. Парамагнетиком являются монетки в кошельке, например 50 копеек. Самыми удивительными из всех магнетиков оказались диамагнетики. При взаимодействии с магнитным полем они выталкивались из него. Поразительно, что практически все тела вокруг — это диамагнетики, например, вода, графит, висмут и многие другие.
Периодически на пути изучения левитации появлялись различные препятствия. Так, в 1842 году Самуэль Ирншоу сформулировал тезис о том, что система, состоящая из масс или зарядов, или токов, не может находится в стационарном устойчивом состоянии равновесия. То есть изменение положения хотя бы одного тела приводит к разрушению всей системы. Применительно к теории левитации данная работа получила название «Запрет Ирншоу». Следующим шагом на пути закрытия темы о возможности левитации диамагнитных тел в магнитном поле стала работа Лорда Томпсона (Кельвина), одного из авторитетов в физике того времени, в которой он утверждал, что теоретически левитация возможна, но практически не реализуема, так как магнитные силы слишком малы.
Эти работы привели к снижению интереса к диамагнитной левитации, но не к его исчезновению. Оказалось, что если поместить в электрическое поле диэлектрики, то заряды позволят получить большие силы, чем токи. Кроме того, диэлектрические свойства многих материалов превосходят диамагнитную проницаемость веществ, поэтому осуществить диэлектрическую левитацию было проще. Это открытие было использовано при определении величины заряда электрона. Капля масла была вывешена между обкладками конденсатора и, зная массу капли, зная химический состав капли, зная величину электрического поля в конденсаторе, Роберт Милликен и Харви Флетчер определили величину заряда электрона.
Начало XX века в физике было отмечено несколькими важными открытиями для осуществления левитации. Во-первых, описано и доказано явление сверхпроводимости, когда при низких температурах некоторые металлы переходили в состояния, при котором тепло при прохождении тока по ним не выделялось. То есть сопротивление таких материалов равнялось нулю. Температура перехода некоторых металлов в сверхпроводящее состояние, например, свинца — это 4 Кельвина, то есть температура кипения жидкого гелия. Во-вторых, открыт эффект Мейсснера, который заключается в том, что магнитное поле полностью вытесняется из сверхпроводника. Следовательно, сверхпроводник — это идеальный диамагнетик. Эти открытия позволили осуществить диамагнитную или сверхпроводящую левитацию.
В 1939 году Вернер Браунбек теоретически рассмотрел систему из ферро- и диамагнетиков и показал, что левитация диамагнитных тел в магнитном поле возможна. Данная работа позволила обобщить теорему Ирншоу и показать возможности осуществления диамагнитной левитации. Он же экспериментально продемонстрировал возможность левитации маленьких графитовых частичек в магнитном поле магнита, который он сам разработал и собрал. В 1945 году Владимир Аркадьев продемонстрировал возможность левитации магнита над сверхпроводящим свинцовым диском. Его эксперимент получил название «гроб Магомета».
А дальше, вплоть до 90 годов XX века, новых прорывных открытий в области левитации не наблюдалось. Можно отметить только некоторые изменения в изучении сверхпроводящей левитации, связанные с открытием сверхпроводников второго рода. Сверхпроводники второго рода представляют особую керамику и переходят в сверхпроводящее состояние при температуре кипения жидкого азота, что на 72 Кельвина выше, чем температура кипения жидкого гелия. Это позволило изучать различные динамические эффекты, которые возникают при движении левитирующих тел. Создавались различные приспособления, использующие явление левитации. Это гирокомпасы, опоры без трения, супер центрифуги.
В 90 годах XX века произошло качественное изменение в исследовании левитации диамагнитных тел. Исследовательская группа, в которой был Андрей Гейм, разработала и собрала магнит особой формы, который позволил осуществить левитацию таких диамагнитных тел, как лягушка, ягоды, кусочек пиццы, орех, капли воды. То есть с маленьких частичек графита массой 2 миллиграмма до нескольких сотен граммов. Это привело к появлению новых задач левитации, новых возможностей ее применения. И сегодня в этой области остается много различных задач, которые ждут своего решения.
В Мининском университете под руководством профессора Урмана Юрия Михайловича проводились теоретические исследования пассивной левитации диамагнитных тел. Он же является автором применения аппарата неприводимых тензоров, или шаровых векторов для получения аналитических решений, описывающих взаимодействие диамагнитного ротора с неоднородным магнитным полем в неконтактном подвесе. Под его руководством мы получили значимые результаты в обеспечении неконтактного подвеса диамагнитных тел.
Скоростной поезд — это прекрасно решенная инженерная задача о левитации, появившаяся когда-то из легенды о «парящем гробе». А что дальше? А дальше новые идеи, новые возможности применения достижений науки и техники, облегчающие нашу жизнь.
Николай Лапин, кандидат физико-математических наук, декан физико-технологического факультета Мининского университета.
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки #научныйфорсайт