STOLBOV STUDY | ФИЗИКА для взрослых и детей

Откуда берется самый первый нейтрон?

Давно у нас не было ядерных постов, и сегодня пришло время снова немного воскресить рубрику. Я уже рассказывал, откуда берется ядерная энергия здесь и здесь. Напомню, что деление ядер урана – основного источника ядерной энергии сегодня – происходит при попадании в него нейтрона. При этом ядро раскалывается на два высокоэнергетичных осколка, и вылетает еще несколько нейтронов, которые в дальнейшем также приводят к делению. То есть запускается цепная реакция деления.

Но мало кого интересует следующее: ну вот мы на атомной станции загрузили в реактор топливо, содержащее уран, налили водички, закрыли крышкой и ждем, пока водичка закипит, и зажжется свет во всем городе, но он не загорается. Почему?

Потому что нет того самого первого нейтрона, который попадет в первое ядро урана и запустит реакцию. Да, конечно, у урана есть способность и к спонтанному делению. Это когда ядро урана вместо того, чтобы испустить альфа-частицу, как это обычно происходит (о свойствах урана я писал здесь), вдруг делится без участия нейтрона. Но, во-первых, вероятность такого события крайне мала (как минимум, в миллион раз меньше, чем испустить альфа-частицу), а во-вторых, так как она все-таки существует, топливо холодного реактора находится в подкритическом состоянии. То есть каждое следующее поколение нейтронов в среднем дает меньше делений, чем предыдущее (об этом можно почитать тут). Это нужно, чтобы во время транспортировки, загрузки и других подготовительных манипуляций реактор не запустился сам по себе раньше времени за счет того малого количества нейтронов, которые все-таки образуются при спонтанном делении. Мы же не хотим повторить трагедии, при игре с критической массой, подобные инцидентам со Злотиным и Дагляном. Достигается это разделением топлива на части при перевозке, постепенным добавлением сборок в реактор и изначально введенными поглощающими стержнями.

Где же взять этот первый нейтрон?

Об этом, конечно же, инженеры позаботились и придумали источники нейтронов. Существует огромное количество их разновидностей, мы поговорим о самых распространенных.

Первыми источниками нейтронов, которые до сих пор повсеместно используются, в том числе, на атомных станциях ­– это (α, n)-источники. Они дешевые, портативные и проверенные годами. Они состоят из смеси двух материалов (в основном в порошкообразном виде), один из которых излучает альфа-частицы, а другой склонен к (α, n)-реакции, т.е. при попадании в него альфа-частицы испускает нейтрон. Веществом, склонным к такой реакции, на практике является бериллий, а источником альфа-частиц – альфа-активный изотоп с подходящей энергией частиц. Исторически первые нейтронные источники делали на радии, поэтому они назывались радий-бериллиевыми.

Радий или другой радиоактивный элемент испускает альфа-частицы, которые попадают в находящийся рядом с ним бериллий. Тот, поглотив частицу, превращается в углерод-12, но это ядро углерода из-за избытка энергии, которую принесла с собой альфа-частица (она же с какой-то скоростью двигалась) образуется в возбужденном состоянии, поэтому ему из-за особенностей строения ядра выгодно сбросить эту энергию в виде нейтрона, вылетающего оттуда с определенной скоростью. Опять этот закон сохранения энергии нас везде преследует, чтоб его!

Такие (α, n)-источники – это спрессованный в таблетку порошок альфа-активного вещества и бериллия, запаянный в металлическую газонепроницаемую оболочку. Сейчас радий-бериллиевые источники вытесняются более совершенными америций-бериллиевыми, т.к. радий имеет свойство сильно фонить гамма-излучением, чего нельзя сказать об америции.

Вот такую вот таблетку вводят в ядерный реактор при запуске. Первые нейтроны запускают цепную реакцию деления ядер урана, в немного подкритическом состоянии, одновременно из зоны постепенно выводятся поглощающие стержни, и таким образом реактор плавно выходит в критическое состояние, в котором идет самоподдерживающаяся цепная реакция, и таблетка перестает быть нужна.

Дайджест летних постов за июль-август

Пока на меня свалилось много работы и забот с началом учебного года, предлагаю перечитать посты, которые вы могли пропустить этим летом. Сегодня, кстати, ездил продолжать работу по моделированию горячей деформации на системе Gleeble, о которой я писал в начале июля.

Как производят карбон? Не просто «был PAN – стало волокно». Залез немного именно в химию полимеров и рассказал еще и про то, как делается сырье для карбонового волокна. Область далеко не моя, так что, если есть какие-то замечания – комментарии открыты.

Актуальный этим летом пост про бензин его связь со статическим электричеством. Затронул все животрепещущие темы: как возникает статический заряд в диэлектрических жидкостях, нужно ли заземление бензовозу, и, самое главное, в какую канистру лить – в металлическую или пластиковую.

Красивое видео скачивания шлака с жидкого металла, снятое на заводе через светофильтр.

Закон Бернулли и истоки его происхождения из закона сохранения энергии. Объясняю, в том числе с помощью молекулярной теории, почему засасывает под поезд, качается автомобиль при проезде фуры мимо него и даже про крыло самолета немного есть.

Почему в твердых телах скорость звука больше? Вспоминаем детскую игру с помещением монетки на рельсы, погружаемся в физику волн и их распространению в различных средах, особенно в металлах.

Почему газировка освежает лучше? Термодинамическое объяснение охлаждения воды с помощью растворенного в ней углекислого газа при открытии бутылки.

Почему газировка взрывается, если ее потрясти? Продолжение термодинамической теории поведения углекислого газа в воде.

Как определить безопасную дистанцию между автомобилями? Повторение темы равноускоренного движения из школьной физики. Формулы для расчета тормозного пути и шпаргалка с дистанциями, соответствующими разной скорости, а также подсказка, как это расстояние измерить, будучи за рулем.

Еще есть окошки ко мне на занятия

Итак, пока мое начало сентября прошло за семейными делами, вы, наверное уже устаканили свое школьное расписание (под «вами» я подразумеваю школьников и их родителей, подписанных на меня). А у меня, тем временем, заполняется рабочий график.

Напомню, что пошел 14-й учебный год моей частной и весьма успешной преподавательской практики по физике и математике, в основном по подготовке к ОГЭ и ЕГЭ. Поэтому если мои услуги могут быть вам полезны, пишите мне в личку @stolbser, обсудим подробности.

Добавление ко вчерашнему посту

Пытался справиться с болью только с помощью НПВС. На рисунке покажу вероятность их помощи в зависимости от интенсивности боли и доз на примере нурофена. Так называемая «тепловая карта».

Из нее я понял, что если первая доза нурофена не помогла, то очень часто нет смысла принимать его дальше. Может, для кого-то это и очевидно, но мне нужны были доказательства.

Однако, он хорошо помогает при легкой боли, т.е. в самом начале приступа. Это дает информацию о том, что надо поймать и купировать боль в самом начале, что тоже характерно для мигрени.

Да, анализ несовершенен, и факторы влияния здесь не все. Но я и не претендую на научную статью. Бывает так, что статистический анализ помогает что-то понять. И мне немного помог. Главное, чтобы данные были качественными.

Для чего я этим занимаюсь? В первую очередь, для удовлетворения собственного интереса. Во вторую - для потенциальной помощи доктору, когда я до него дойду. Главное - найти такого, который будет слушать мои статистические бредни.

Для чего я с вами этим делюсь? Просто показать на примере, как можно применять системный подход и анализ данных в жизни. Советую рассматривать эту статистику отдельно от меня, чисто с научной точки зрения. Может быть, что-то новое узнаете, или у вас родится какая-то собственная идея, как проанализировать что-то из вашей жизни.

Как определить безопасную дистанцию между автомобилями?

Пост для тех, кто вечно торопится в левой полосе и начинает показывать свое недовольство, плотно прижимаясь сзади к автомобилю, двигающемуся с недостаточно высокой для них скоростью. Не осуждаю, т.к. иногда это действительно бесит, но сегодня приведу несложные расчеты, способные предупредить фатальные последствия этих действий.

Давайте для начала просто рассчитаем тормозной путь автомобиля, начинающего тормозить с разной скорости. У меня на занятиях по физике равноускоренное движение — это самая первая тема, с которой все начинается, и одно из первых заданий, которые мы делаем, — это расчет тормозного пути. Поэтому мои ученики умеют это делать.

Сегодня не будем выводить формулы и уравнения, я просто дам уже готовую формулу для расчета тормозного пути, который пропорционален квадрату скорости (v) и обратно пропорционален ускорению (a):

S = v²/2a

По сути здесь, конечно, не ускорение, а замедление, ведь скорость уменьшается. Естественно, оно у всех машин разное, но мы знаем, что при торможении автомобиль взаимодействует с дорогой через силу сцепления шин, которая в простейшем случае равна произведению коэффициента трения на силу нормальной реакции. На горизонтальной поверхности без учета дополнительных сил нормальная реакция совпадает с силой тяжести, а по второму закону Ньютона сила равна произведению массы на ускорение.

μmg = ma

Это я сильно упростил: на автомобиль могут действовать еще разные силы в разных направлениях, а предельное сцепление шин с дорогой зависит от режима торможения. Кроме того, в автомобиле есть система АБС, которая не дает колесам просто заблокироваться, но для грубой оценки пойдет.

Таким образом, получается, что тормозной путь будет равен:

S = v²/2μg

Коэффициент трения μ зависит от соприкасающихся поверхностей. В справочных данных эти показатели разнятся для разных шин и дорожных покрытий, но давайте возьмем какое-нибудь среднее значение для сухого асфальта и обычных шин — 0,7. Для сухого асфальтобетона справочные значения действительно находятся примерно в диапазоне 0,7–0,8.
Но мы тут забыли еще кое-что. Торможение происходит не в то же мгновение, когда человек увидел, что что-то неладно впереди. Ему нужно время на реакцию и перенос ноги с педали газа на тормоз. И даже если вы супер дерзкий, как пуля резкий, меньше 1 секунды обычно это не занимает. И эту секунду вы будете двигаться равномерно с той скоростью, с которой начнете тормозить.

Поэтому к тормозному пути нужно прибавить еще путь, пройденный равномерно за t = 1 секунду. Таким образом, наша формула превращается в:

S = v²/2μg + vt

Для вас ниже привел таблицу с тормозными путями для разных скоростей движения.

Скорость      Дистанция
20 км/ч       8 м
40 км/ч       19 м
60 км/ч       36 м
80 км/ч       58 м
100 км/ч      86 м
120 км/ч      121 м
140 км/ч      159 м
160 км/ч      202 м
180 км/ч      249 м
200 км/ч      300 м

Здесь стоит отметить, что приведенные дистанции — это пути, которые проходит автомобиль до полной остановки. То есть это предельный случай, когда водитель увидел впереди неподвижную стену и начал сильно давить на тормоз. В реальности же дистанция держится между движущимися объектами, и автомобиль впереди не останавливается мгновенно. У него тоже есть какой-то тормозной путь и время реакции, но они, скорее всего, отличаются от ваших.

В таком случае нужно прибегать к относительному движению, что усложняет задачу из-за разных ускорений двух автомобилей. Но если предположить, что они двигались изначально с одинаковой скоростью и тормозили с одинаковым ускорением, а водитель сзади нажал на тормоз через секунду после того, как увидел стоп-сигналы движущегося впереди автомобиля, то после начала торможения заднего автомобиля расстояние между машинами уже не будет меняться. За эту секунду задний автомобиль успеет приблизиться к переднему на расстояние, равное произведению скорости на время реакции.

А это уже гораздо меньшие расстояния и повод поиграть с огнем.

Например, при 100 км/ч такая дистанция составит 28 м вместо 86 м для предельного случая перед неподвижным объектом. А если замедления разные, необходимая дистанция тоже изменится — причем она может оказаться как меньше, так и значительно больше.

Как же измерить эту дистанцию «на глаз», сидя в движущемся автомобиле?

Можно использовать так называемые секунды движения. Выбрать ориентир, например столб, и с того момента, как движущийся автомобиль его проедет, начать отсчитывать, через сколько секунд этот ориентир проедете вы.

Для практической езды можно ориентироваться на 2–3 секунды дистанции на сухой дороге. Это не то же самое, что приведенный выше остановочный путь: это запас времени до автомобиля впереди. Чем хуже видимость, покрытие или состояние шин и чем больше скорость, тем больше этот запас стоит увеличивать.

Вот такие вот простые расчеты могут кому-то помочь. А то в ПДД никаких конкретных расстояний нет, там формулировка типа «держите безопасную дистанцию». Теперь вы примерно знаете, что это значит с точки зрения физики.

Почему газировка взрывается, если ее потрясти?

Лето уже заканчивается, а мы все говорим о прохладительных напитках. Дополню предыдущий пост родственной темой, связанной у многих с негодованием по поводу мокрого пола, одежды и пробитого потолка пробкой от шампанского.

Как я уже говорил, газированные напитки находятся под избыточным давлением внутри бутылки, которое в основном создается закачанным туда углекислым газом. При открытии крышки этот газ, находящийся в пространстве над поверхностью жидкости, начинает выходить, стремясь выровнять давления внутри и снаружи. А вместе с этим в жидкости возникают и растут пузырьки растворенного ранее в ней газа.

Что будет, если потрясти закрытую бутылку?

При тряске жидкость начинает интенсивно перемешиваться и гулять по всей бутылке, захватывая тот газ, который находился в пространстве под пробкой в спокойном положении. В итоге этот газ попадает в жидкость в виде новых маленьких пузырьков. Таким образом, мы дополнительно загоняем туда пузырьки, которые остаются в жидкости довольно долго.

Эти новые маленькие пузырьки служат дополнительными центрами для образования и роста пузырьков, которые образуются при открытии крышки. Таким образом, во встряхнутой бутылке с газировкой одновременно начинает быстро расти большее количество пузырьков, чем в газировке, которую никто не трогал. Поэтому объем растет стремительно, и часть воды вместе с выходящим газом может выплеснуться наружу.

Так что же тогда получается по нашей логике из предыдущего поста: если потрясти газировку, она при открытии охладится сильнее?

Почему газировка освежает лучше?

Продолжаем объяснять физику простых повседневных вещей. Наверняка замечали, что в жару больше хочется пить газированные напитки, ведь они как будто бы лучше освежают и кажутся более холодными. Так вот, на самом деле, это не совсем обман рецепторов, а простая физика.

Когда делают газировку, в воду закачивают углекислый газ, который не очень охотно растворяется в воде. Его растворимость увеличивается с повышением давления и снижением температуры. Поэтому воду на производстве охлаждают, а внутри бутылки создают давление в несколько атмосфер. Потом, когда бутылка путешествует в места с разной температурой, меняется концентрация газа в воде, а вместе с ней и давление под пробкой. И, конечно, оба газа — как в воде, так и над ней — находятся в равновесии внутри бутылки.

Когда мы открываем бутылку, газ, будучи внутри нее под избыточным давлением, начинает выходить наружу с довольно большой скоростью. А так как давление внутри бутылки падает, уменьшается и растворимость углекислого газа в воде, и из нее начинают выделяться пузырьки. Эти пузырьки быстро растут в объеме, ведь снаружи них (над водой) давление уменьшается и перестает их сдерживать. Увеличивающийся объем пузырьков в воде приводит к росту выталкивающей силы, и они начинают подниматься наверх.

Так все-таки охлаждается вода или нет?

Немного, все-таки да. Первый закон термодинамики говорит нам о том, что переданное газу тепло расходуется на изменение его внутренней энергии и совершение им работы. Но пузырек газа не получает тепло, а расширяясь быстро (мы же помним, что газ выходит с большой скоростью), не успевает отдать тепло окружающей воде. Поэтому в данном случае мы имеем дело с процессом, происходящим при отсутствии теплопередачи, который называется адиабатическим. При таком процессе имеющаяся у газа внутренняя энергия расходуется на совершение им работы по расширению пузырька, а значит, уменьшается. А так как внутренняя энергия пропорциональна температуре, газ и окружающая его вода немного охлаждаются при открытии крышки.

Я, кстати, держа в руке сильногазированную воду, во время открытия крышки чувствовал, что она немного охлаждалась.

Многие, наверняка, видели, что над горлышком только что открытой бутылки может образовываться пар. Это как раз из-за того, что температура окружающего воздуха рядом с охлажденной водой упала, и водяной пар, который был в воздухе (особенно во влажном), достиг точки росы и сконденсировался в мелкие капли.

Помимо реального уменьшения температуры воды, химики и биологи говорят, что углекислый газ, соединяясь с водой в слюне, образует углекислоту, которая увеличивает количество ионов водорода и снижает pH во рту. Это активирует определенные кислоточувствительные рецепторы, что в совокупности с механическим покалыванием при лопании пузырьков дает нам ощущение свежести.

Вот такие удивительные свойства углекислого газа в воде.

Почему звук от поезда по рельсам передается быстрее?

Если вы в детстве занимались популярной забавой – клали на рельсы монетку, чтобы ее раздавил поезд, наверняка прикладывали ухо к рельсу и чувствовали вибрацию приближающегося состава задолго до появления звука в воздухе.

Сегодня немного поговорим о распространении упругих волн в твердых телах, и от чего зависит их скорость.

Из школьной физики нам известно, что волны бывают поперечными и продольными. В первых направление колебаний среды перпендикулярно распространению волны, а во вторых – параллельно. Например, если дернуть вверх-вниз привязанный к стене шнур, то по нему пойдет поперечная волна, а если толкнуть прикрепленную к стене длинную пружину – возбудится продольная. Сегодня поговорим о самой известной продольной волне – звуке, являющейся попеременным сближением или отдалением молекул в разных участках среды.

Если звук – это передача энергии через физическое сближение молекул, логично предположить, что чем меньше расстояние между атомами или молекулами в веществе, тем быстрее в нем распространяется звук. Поэтому в жидкостях скорость звука выше, чем в воздухе, а в твердых телах она достигает колоссальных величин. Вот почему стук колес поезда чувствуется в рельсах на очень больших расстояниях, которые звук может и не преодолеть, рассеявшись.

Но если с различиями скоростей в разных агрегатных состояниях все ясно, давайте теперь поймем, от чего зависит скорость звука в твердых телах. И возьмем для примера наши любимые металлы.

В твердых телах атомы не сталкиваются и не перемешиваются друг с другом как в воздухе или жидкости, они только колеблются возле своих определенных мест. При распространении упругой волны, коей является звук, по цепочке происходит передача энергии колебаний между соседними атомами. И то, насколько быстро будет передаваться эта энергия, определяют две основные вещи: плотность материала и жесткость межатомных связей.

Плотность материала определяется массой единицы объема, и в металлах она во многом определяется массой атома. Так как кинетическая энергия зависит от массы, тяжелые атомы трудно сдвинуть с места и запустить в таком материале, как, например, свинец упругую волну. В то время как легкие атомы типа алюминия быстро приходят в движение при малейшем толчке.

Жесткость связи показывает, как решетка реагирует на упругую деформацию. Грубо говоря связь похожа на пружину, которая если очень жесткая – быстро передает колебания, практически не деформируясь, а если мягкая – медленно деформируется, пропуская через себя энергию (как резинка).

Жесткость связи определяется тем, что находится между атомами и как оно реагирует на сжатие. В наших любимых металлах, как я уже рассказывал, между ионами кристаллической решетки находится электронный газ. И по сути, можно сделать допущение (да простят меня критики научпопа) о том, что жесткость связи связана с тем, насколько этот газ плотный, т.е. сколько свободных электронов летает в единице объема кристалла. Чем их больше, тем быстрее они реагируют на деформацию решетки, стремясь вернуть все на свои места. Примерно, как воздух под давлением внутри футбольного мяча.

Все это сложное упругое взаимодействие между атомами объединяется в одну макроскопическую величину под названием модуль упругости материала, или модуль Юнга.

Таким образом, скорость звука в твердых телах пропорциональна отношению модуля упругости к плотности материала. Максимальная скорость будет там, где жестче связи и меньше плотность. В металлах рекордную скорость звука имеет бериллий (12600 м/с) – очень легкий металл, имеющий высокую жесткость. Наименьшая скорость звука достигается в свинце (около 2200 м/с) с тяжелыми неповоротливыми атомами и мягкими связями.

В твердых телах с другим типом связи (неметаллах) все не так однозначно, т.к. они состоят из нескольких элементов и имеют сложные конфигурации кристаллических решеток, в которых жесткость связи очень индивидуальна. Поэтому для их скорости звука сложно установить единую закономерность.

А вы развлекались в детстве с монеткой на рельсах?

Как закон сохранения энергии помогает или мешает аэродинамике?

Сегодня поговорим о достаточно известном законе, который окружает нас чаще, чем кажется, – о законе Бернулли. Те, кто знает, освежат его в памяти, а кто не знает – откроет для себя много нового

Этот закон объясняет, почему проезжающая мимо стоящего автомобиля фура раскачивает его, а также почему нельзя стоять близко к краю платформы, когда мимо проезжает поезд.

Я уже упоминал в своих недавних рассуждениях о том, почему образовываются пробки, уравнение неразрывности струи, согласно которому проходящая через меньшее сечение жидкость движется с большей скоростью, т.к. через любое сечение потока за одно и то же время проходит одинаковая масса. Но что если я скажу, что к этому утверждению добавляется тот факт, что в потоке жидкости или газа, движущихся с большей скоростью, уменьшается давление? Это и есть закон Бернулли. Таким образом, получается, что если воздух двигается быстро, то в месте его движения образуется небольшое разрежение (а может, и большое, смотря какая скорость).

Если пытаться объяснить закон на молекулярном уровне, то мы ступим на не очень популярную дорожку. Дело в том, что Бернулли вывел свой закон из закона сохранения энергии классической Ньютоновской механики в 1738 году, рассматривая то, как движутся жидкости, принимая их за сплошную среду. В это время еще не было четкого представления о том, что все вещества состоят из молекул. Молекулярно-кинетическая теория, связывающая закономерности движения молекул по классическим законам с такими макроскопическими параметрами, как давление, температура и пр., была создана всякими Клаузиусами, Максвеллами и Больцманами только спустя полтора века.

Но если все-таки пытаться натянуть сову на глобус МКТ на гидродинамику, то надо вспомнить, что давление с молекулярной точки зрения создается ударами этих молекул о стенку сосуда. И чем больше ударов, тем больше давление. Если мы представим поток жидкости, текущей в трубе с определенной скоростью, то всегда будут присутствовать молекулы, скорость которых направлена строго туда, куда течет жидкость, и те, у которых скорость отклонена от этого направления на какой-то угол. Вторые при этом неизбежно будут врезаться в стенку и оказывать давление. Так вот, чем больше скорость потока жидкости, тем меньше в ней присутствует молекул, скорость которых отклонена от направления потока, т.е. большинство молекул двигаются в этом направлении, а значит, меньше будет ударов о стенку и, тем самым, меньше давление.

Когда мимо нас проезжает поезд на большой скорости, между нами и поездом создается разрежение воздуха (область пониженного давления). В то же время с обратной стороны давление остается неизменным. Эта разность давлений создает силу, направленную в сторону поезда. Таким образом, согласно закону Бернулли, нас буквально засасывает под поезд.

Аналогичная ситуация происходит и с фурой, проезжающей мимо стоящего автомобиля: движущийся между ними поток воздуха пытается притянуть автомобиль к фуре. Крыло самолета работает в том числе и благодаря закону Бернулли, когда из-за специфической формы создается более быстрый поток (а, значит, меньшее давление) вверху крыла, и возникает подъемная сила.

Есть еще много примеров, где можно наблюдать закон Бернулли, и я оставлю их поиск вам. Пишите в комментариях свои примеры и пересылайте тем, кто не знал, почему нельзя заходить за начерченную на платформе линию.

Кстати, в московских Кузьминках есть паб под названием «Закон Бернулли». Но никакой тематической атрибутики я там не увидел.

Я тут снова пропадал на заводе, изначально наивно думая, что в командировке будет много времени писать посты.

Если интересно, расскажу в общих чертах про свой не типичный, а довольно насыщенный день с промышленного сопровождения. Это занимает меньше времени, чем написание образовательных постов 😁. Но они тоже скоро будут.

А пока посмотрите, как красиво у меня получилось снять льющуюся сталь со шлаком через темный светофильтр, который я уже стал с собой брать, чтоб не ослепнуть. В прошлый раз выкладывал кадры без фильтра.

Как будто пенку с молока снимают. А у вас какие ассоциации?

Бензин и статическое электричество

Хайпуем на актуальной этим летом теме. Поговорим сегодня об электризации диэлектриков и заряде проводников, об электрическом пробое, а также обсудим вопросы о транспортировке топлива.

Для начала вспомним, что диэлектрик от проводника отличается отсутствием свободных носителей заряда. Если в проводниках эти носители есть, как, например, в металлах, о которых я часто рассказываю (например, тут), то в диэлектриках все заряды сидят на своих местах и не двигаются (если только совсем чуть-чуть), как, например, в пластике, стекле или бензине.

Из-за того, что в диэлектрике заряды не могут двигаться, каждый участок поверхности может накапливать большой заряд. В металлах, в свою очередь, свободно движущиеся электроны разносят привнесённый извне заряд по всей площади изделия, уменьшая плотность заряда и не давая ему скапливаться в одном месте. А привносятся заряды, как в нашем случае, с помощью трения. При контакте двух поверхностей они отрываются от одной, вызывая в ней недостаток зарядов, и приклеиваются к другой, создавая их избыток. Это называется трибоэлектрическим эффектом — тем самым из школьной физики с трением эбонитовой палочки о шерсть.

А теперь применим эту теорию к топливу и поговорим о темах, с которыми водители могут сталкиваться в реальной жизни.

Нужно ли заземление бензовозу?

При движении бензовоза бензин плещется и трётся о стенки цистерны, обмениваясь с ней зарядами, и вызывает накопление заряда на резервуаре. Раньше сзади бензовоза по дороге волочилась цепь (видели?) для отвода статического заряда. Со временем поняли, что такой метод не очень эффективен: контакт с дорогой ненадёжный, да и сама цепь могла искрить. Сейчас вместо цепи применяют специальные токопроводящие графитовые добавки в шины автомобиля, и заряд с цистерны потихоньку стекает в землю.

Заземление крайне необходимо именно при сливе топлива из цистерны. Когда оно огромным потоком течёт через фильтры, насосы и другие элементы системы, заряды разделяются. В какой-то момент из-за разбрызгивания и турбулентности может возникнуть опасное сочетание: заряженная поверхность, воздух с парами бензина и заряженное топливо. Когда разность потенциалов между элементами бензовоза и жидким топливом достигает критической величины, а смесь воздуха и паров оказывается в нужной пропорции, может произойти пробой этой воздушно-паровой прослойки (искра), а затем воспламенение. Поэтому перед сливом топлива на заправке бензовоз первым делом подключают к специальному заземляющему устройству, и заряд на нём уже не накапливается.

Куда лить — в металл или пластик?

Понятно, что все льют чуть ли не себе в карман, но у физики задача – предупредить.

Цистерна бензовоза изготовлена из металла, в котором накопленный при трении заряд распределяется практически равномерно по всей оболочке бака. Поэтому локальная плотность заряда в металле всегда ниже, и пробой наступает позже, чем у диэлектрика. К тому же, бензин вытесняет из цистерны воздух, и внутри его остаётся слишком мало для образования взрывоопасной смеси с парами. Поэтому стоит вопрос, а нужно ли вообще заземление при движении?

Аналогично это работает и с канистрами. Вопрос, можно ли наливать бензин в пластиковую канистру, волнует многих водителей. Когда вы наливаете бензин из обычной пластиковой канистры, которую зарядило трение топлива и катание по багажнику, между горлышком и кузовом стоящего на земле автомобиля возникает разность потенциалов и сильное электрическое поле. При достаточном напряжении в пространстве у открытой струи с парами бензина может возникнуть пробой. С металлической канистрой такого не случится, т.к заряд распределяется по всей поверхности и не локализуется у горлышка, а через руку и тело он постепенно уходит в землю. Именно поэтому обычные пластиковые канистры для бензина не рекомендуются. Можно использовать только специальные с графитовыми добавками — они становятся частично проводящими и накапливают заряд гораздо слабее.

Надеюсь, что понятно осветил самые популярные вопросы о бензине и статическом электричестве. Если есть дополнительные — пишите в комментарии.

Немного отдыхаем

Если вдруг на этой неделе видели на одной из машин, катающейся по Ленобласти, наклейку @stolbov_study (что, конечно, вряд ли), передавайте привет.

В очередной раз из разных мест убеждаюсь, что Балтийский вайб особенный, не похожий на другие.

Уже выдвигаемся назад.

Дайджест постов за май-июнь.

Предыдущие два месяца накануне экзаменов у меня, как и у всех преподавателей, были довольно загружены, но, тем не менее, были интересные посты, которые вы могли пропустить.

Как работает толщиномер? Все видели, как автоподборщики им пользуются, но мало кто задумывался о том, что там внутри. Ничего сложнее школьной физики на самом деле.

Атмосферные фото выплавки стали с моей командировки на завод. Жаркое место с огромными агрегатами.

Мое сравнение пробок на дороге с уравнением неразрывности струи при течении жидкости. Нестыковки автомобильного потока с теорией сплошной среды. Профдеформация в чистом виде 😁.

Про один из самых необычных способов соединения деталей - сварку трением. Что происходит в стыке между поверхностями на атомном уровне.

Продолжение про трение: что происходит с тормозным диском при торможении? Эксклюзивный контент из немецких диссертаций и статей, написанных при сотрудничестве с автоконцернами.

Смотрю карбоновые волокна в электронный микроскоп на кусочке корпуса болида формулы-1.

Как создать микрохолодильник? Все об эффекте Пельтье, который решил много вопросов с охлаждением очень маленьких пространств и элементов.

Какое стекло безопаснее? О том, какие бывают состояния поставки стекла, чем они отличаются и в чем секрет закаленных стекол.

Приятного чтения, а я врываюсь во вторую неделю отпуска.

Дайджест постов за март-апрель.

Как производят карбон?

Итак, друзья, зарекся я полезть не в свою область и рассказать вам о производстве карбона, если наберем 50 реакций. Ну что ж, нужное количество набрали, выполняю обещание.

Физики здесь практически нет, только химия, поэтому призываю осведомленных в теме меня поправлять. Кстати, когда собирал информацию, обнаружил, что на русскоязычных ресурсах очень поверхностно ведется рассказ о технологии производства углеродного волокна, но зато очень много патриотически-рекламных видео о том, что у Росатома есть в Елабуге самое крупное профильное предприятие.

Так как мы будем говорить об углеродных материалах, то давайте не просто будем перечислять все этапы производства, а рассмотрим путешествие атомов углерода из одного вещества в другое (это же химия, здесь про превращение веществ друг в друга).

Как мы знаем, углерод имеет 4 валентных электрона и может образовывать 4 связи с другими атомами. И за первую его остановку давайте возьмем жидкое органическое вещество акрилонитрил CH₂=CH-C≡N. Говорят, токсичный.

В двойной связи углерода (там, где две палочки) одна из них слабее. При определенных условиях (специальная среда, температура и многое другое) эта слабая связь рвется, образуя вместо целостного вещества большое количество частиц–радикалов с неспаренными электронами, желающих к чему-нибудь срочно присоединиться. И присоединяются они к таким же радикалам, образуя длинную цепочку из тысяч повторяющихся звеньев, т.е. полимер. Это следующая остановка нашего углерода – стать частью полимера полиакрилонитрила (PAN) в виде порошка или гранул. Кстати, тройная связь в группе CN (там, где три палочки в формуле выше) очень прочная, и при образовании полимерной цепочки эти CN висят как бусы на молекуле полимера.

Далее получившийся порошок растворяют в сложных растворителях с получением густой массы. Этот сироп проталкивают через множество мелких отверстий – фильер в водяную ванну, а затем, высушивая, сильно вытягивают, ориентируя большую часть полимерных цепочек параллельно друг другу, и получается белая прочная нить PAN – сырье для производства карбона.

Итак, сейчас у нас углерод находится в волокне органического вещества. Значит нам нужно из этого волокна удалить все лишнее, оставив только атомы углерода. Что для этого подходит лучше всего? Конечно же, нагрев!

Сначала волокно нагревают до 250-300 градусов. Первыми при нагреве, конечно же отлетают самые легкие - атомы водорода либо сами по себе, либо, соединяясь с кислородом, пришедшим из воздуха при отжиге. Также при этой температуре те самые CN-бусы начинают перестраивать химические связи между соседними звеньями одной цепи так, что цепочка превращается в жесткую лестничную структуру из соединенных шестиугольных колец. На этом этапе возникает структура, где почти в каждой вершине шестиугольного кольца находятся атомы углерода. Ничего это вам не напоминает? Да, именно эта остановка нашего углеродного путешествия является первым шагом к структуре графита.

Остается финишная прямая – этап карбонизации – отжиг в инертной атмосфере при высоких температурах (1500 градусов). Здесь происходит окончательное изгнание почти всего, кроме углерода (азота и оставшегося водорода), а также укрупнение и упорядочивание углеродных шестиугольных сеток в графитоподобную слоистую структуру. Вот мы и получили углеродное волокно.

Далее с этим волокном можно делать все, что угодно. Ткань, корпус автомобиля, декоративные накладки и т.д. Автомобильный карбон, например, делается путем укладки слоев волокна определенным образом и заливки его эпоксидной смолой. Так получается прочный и легкий композит.

Волокно, кстати, после карбонизации обрабатывается специальным раствором, чтобы не повредиться при дальнейшем производстве из него чего-либо, и чтобы связующий компонент (эпоксидная смола) лучше сцеплялся с ним.

Вот примерно так я влез в химию и рассказал вам о таком сложном продукте. Можете поправлять, дополнять и уточнять информацию в комментариях, а если было интересно, отправить другу.

Делаем эксперимент на относительно редкой установке Gleeble.

Машина предназначена для моделирования процессов горячей деформации металлов разными способами. Можно греть до высоких температур, сжимать, как на прикрепленном видео, растягивать, крутить, нагревать и охлаждать с разными скоростями, в общем извращаться с металлом как угодно. При этом датчиками вытягивается вся информация о процессе, которая только возможна + дополняется анализом микроструктуры образцов после испытаний.

Это нужно, чтобы на маленьких образцах смоделировать процессы, происходящие на производстве, например, при горячей прокатке, закалке и т. д. По записанным данным можно понять, при каких температурах и усилиях нужно катать, например, лист для получения нужной структуры и свойств. Строить различные графики и карты, которые потом могут быть использованы технологами на заводе.

Как раз сейчас мы и пытаемся получить данные, которые помогут проводить горячую прокатку листов с нужными свойствами.

Таких установок в России, наверное штук 5. Много слышал и даже отдавал свои образцы на эксперимент для диссертации, но в живую не видел. На этот раз удалось поприсутствовать.