Вот две фотографии озера без применения поляризационного фильтра (слева) и с ним (справа). Фотографии из википедии, из статьи про закон Брюстера.

Блики и поляризация.

Почему очки с поляризацией ослабляют, а иногда и полностью устраняют блики? Выглядит применение поляризаторов (фильтров для фотофаппарата, очков с поляризацие и пр.) совершенно как магия: смотришь на море в ясный солнечный денек невооруженным взглядом и от солнечных бликов начинаешь невольно жмуриться, пытаясь защитить глаза от отраженного морем света, но стоит надеть хорошие очки с поляризацией и бликов как не бывало. Как так?

Дело в том, что свет — электромагнитная поперечная волна (забудем сегодня про корпускулярно-волновой дуализм, да простит меня моя специализация!). Это значит, что в точке пространства, через которую проходит свет, возникают колебания векторов напряженности электрического и магнитного поля, которые перпендикулярны направлению движения волны света.

Чтобы это понять, представьте себе волны на море вдали от берега, которые в некотором приближении тоже являются поперечными. Частицы воды в волне движутся вверх-вниз, совершают колебания (на самом деле они совершают круговые движения в вертикальной плоскости, но мы опустим это для ясности). При этом мы видим, как гребень волны перемещается вполне в определенном направлении. Так и в электромагнитной волне, нечто (вектор напряженности электрического или магнитного поля) колеблется в точке пространства перпендикулярно распространению луча света.

Поляризация электромагнитных волны — явление направленного колебания векторов напряженности электрического и магнитного векторов. В случае линейной поляризации это «нечто» колеблется всегда сонаправленно, т.е. грубо говоря вертикально или горизонтально.

Свет от Солнца не является линейно поляризованным, все колеблется в полном беспорядке. Однако отражаясь от какой-либо поверхности свет приобретает линейную поляризацию. Это связано с тем, как происходит отражение света от поверхности на молекулярном уровне, но мы не будем в это погружаться. Для нас важно, что отраженный свет приобретает частичную поляризацию параллельно плоскости, от которой отражается свет.

При этом степень поляризации зависит от угла падения и показателей преломления сред. Если повезет, то при определенном угле отраженный свет будет полностью поляризован. Это явление открыл английский физик Д. Брюстер, а угол, при котором для данной поверхности отраженный свет становится полностью поляризованным, назвали углом Брюстера.

Теперь представим, что у нас есть фильтр, который пропускает свет, поляризованный только в одном направлении. Расположим фильтр таким образом, чтобы направление поляризации фильтра было перпендикулярно плоскости, от которой отражается свет (т.е. перпендикулярно поляризации отраженного света). И вуаля! Мы не пропускаем отраженный свет, потому что он поляризован в другой плоскости. На этом и основан принцип работы поляризационных фильтров, очков и пр.

Если у вас есть очки с поляризацией, попробуйте на досуге в солнечный денек найти источник бликов (капоты машин, лужи, море) и повращать очки, глядя через них на блик. Вы увидите, как блик становится то тусклее, то светлее, в зависимости от ориентации очков. А если не становится, то у меня для вас плохие новости: похоже вас обманули и ваши очки без поляризации.

#housphys #funfact

Почему лед скользкий?

Так называлась одна из глав «Занимательной физики» Перельмана, первое издание которой было опубликовано в 1913 году. На тот момент скользкость льда объясняли тем, что от повышенного давления понижается температура плавления льда и он плавится под коньком, образуя водную прослойку, по которой и скользит конек.

Оказывается, это неверное объяснение. Признаюсь, я и сам полагал, что причина, по которой едет конек кроется в таянии льда. И сегодня, собираясь везти дочку на каток, рассказывал ей именно эту ошибочную теорию. Что ж, исправляюсь :).

Чтобы понять, почему теория с давлением не состоятельна, достаточно опустить температуру до -22 С, при которой лед не плавится даже под очень большим давлением. А на коньках при этой температуре по-прежнему можно кататься без особых затруднений. Более, того, лед остается скользким, даже если вы не на коньках, а просто стоите на нем в ботинках, поэтому и трение тоже тут ни при чем.

Оказывается, причину скользкости льда ученые не знали вплоть до нынешнего времени, да и сейчас многое не ясно.

Согласно текущей теории, скользкость льда объясняется на молекулярном уровне. Дело в том, что молекулы воды в тонком поверхностном слое льда гораздо слабее связаны между собой, чем в толще льда. Их «болтает». Лишь в 2019 году (!) провели исследование, которое показало, что поверхностный слой льда сильно отличается по своим свойствам и ото льда, и от воды. Этот слой, толщиной 100-500 нм обладает вязкостью на 2 порядка выше, чем у воды, а скользскость его гораздо выше, чем у машинного масла. Грубо говоря, молекулы воды могут перемещаться в поверхностном слое льдя, при этом не отрываясь от него. Таким образом, скольжение льда определяется в большей мере диффузией подвижных молекул воды в поверхностном слое, а не плавлением льда.

#housphys #funfact

Сегодня с дочкой наблюдали, как горит глюконат кальция у нас в ванне. Посмотрите и вы;)

Почему мокрые предметы темнее сухих?

Асфальт во время дождя темнее сухого асфальта, мокрая одежда выглядит более темной, чем сухая, — почему?

Мы видим предметы из-за отражения света от них. В частности, способность различных материалов отражать и поглощать определенные длины волн видимого света определяет цвет, который мы видим у предметов.

Вода же, хоть и прозрачна, отличается по своим характеристикам от воздуха с точки зрения прохождения света через нее. На границе между водой и воздухом происходит отражение и преломление света. Более того, при переходе света из воды в воздух возникает эффект полного внутреннего отражения: при определенном угле к поверхности свет не может выйти из воды в воздух и полностью отражается обратно в воду.

Когда вода смачивает пористые предметы, такие как асфальт, ткань, бумага, она помогает свету проникать глубже в материю из-за эффекта полного внутреннего отражения. Свет оказывается в ловушке и меньшее его количество отражается от предмета нам в глаз.

Кстати говоря, тонкая футболка при намокании становится прозрачной, тоже благодаря этому эффекту. Вода играет роль волновода, помогая части света пройти сквозь материю, отразиться от тела и пройти обратно. Такой вот конкурс мокрых маек глазами физика. 😉

#funfact

Ревью статей по физике.

В науке, когда ты что-то сделал и считаешь это значимым, принято писать статьи в научные журналы, чтобы поделиться полученным знанием с коллегами, обществом и внести свой вклад в понимание человечеством окружающего мира.

Однако, редколлегии журналов, хоть зачастую и сами специалисты в той области, на которой специализируется журнал, физически не в состоянии проверить каждую статью, не написана ли там чушь, все ли понятно для читателя, физически обоснованно и пр. Поэтому, сложился способ проверки статей, когда журналы отправляют присланные для публикации статьи "на ревью" (т.е. на проверку).

Ревью обычно проводят учёные, которые работают в той же области, что и авторы присланной работы. Предполагается, что эти учёные лучше разбираются в теме и могут помочь редколлегии оценить значимость статьи, а также помочь ее сделать качественнее, указав авторам на ошибки, попросив подробнее описать тот или иной раздел статьи для улучшения понимания и тд.

Для меня всегда оставалось загадкой, откуда берутся ревьюеры. Работа эта в большинстве случаев не оплачиваемая или мало оплачиваемая. Больше похоже на общественно значимое волонтерство: все участники заинтересованы в публикации хороших статей, а для этого нужна качественная проверка.

Но вот вчера я получил письмо от редактора European Physical Journal C с просьбой провести ревью статьи. И я: "А, значит вот так это происходит?" :) В некотором смысле потерял вчера ревьюерскую девственность, согласившись.

#funfact

С какой скоростью едет лифт?

Такой вопрос задала мне Алиса. Мы решили провести эксперимент и измерить скорость лифта.

Запустили секундомер в момент закрытия дверей и остановили, когда двери начали открываться. У нас получилось 47 секунд на 15 этажей. Когда я ехал обратно, получилось 43 с. Возьмём среднее = 45 с.

Пренебрегая разгоном и торможением, а также тем, что в действительности лифт проезжает на 1 этаж меньше, получаем этаж за 3 секунды. Высота этажей в нашем доме почти 3 метра, так что в итоге получаем скорость около 1 м/с.

Кстати, это соответствует стандартам тихоходных лифтов.

А с какой скоростью едет ваш лифт?

#funfact

Приходишь в детский сад, забирать ребенка, а тебя встречает выставка перевернутых радуг. Так сказала детям рисовать воспитательница.

Шедеврум от яндекса справился лучше с задачей нарисовать радугу.

Дело в том, что перевернутую радугу действительно можно увидеть, но она является вторичной. Она тусклее и находится над первичной, привычной нам радугой, у которой все-таки красный цвет внешний.

Тот случай, когда фамилия идеально подходит к месту.

Есть такой институт:

Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт
технической физики имени академика Е.И. Забабахина.

Курение. Скрытая угроза.

Сегодня хочу написать о радиоактивности вдыхаемого сигаретного дыма. Что? Да! Сигаретный дым содержит много всякой химической канцерогенной дряни, но оказывается он еще и богат на радиоактивные изотопы, один из которых Po-210 (Полоний-210), тот самый, которым травили бывшего агента КГБ Александра Литвиненко.

Не секрет, что многие растения накапливают в себе радиоактивные изотопы (помните про банановы эквивалент?). Табак же, для придания ему хороших вкусовых свойств, удобряют фосфатными удобрениями, которые производят из апатитов. Апатиты в свою очередь богаты изотопами радий-226 и его производными свинец-210 и полоний-210. И табак активно накапливает эти вещества в своих листьях.

Как стало известно в 2010 годах в ходе судебных разбирательств, табачные компании знают об этой проблеме с 60-х годов, однако не делали это знание достоянием общественности, надеясь устранить проблему. К сожалению, попытки устранить вредные изотопы из табака не увенчались успехом.

Ну и что? Ведь и в тех же бананах есть радиоактивный изотоп К-40, чего бояться радиоактивности табака?

Дело в том, что тот же Po-210 распадается с испусканием альфа частиц в отличие от К-40, который испускает гамма. Эффективная доза облучения у альфа и гамма различается в 20 раз. Поэтому, эффект от потрбления изотопов, распадающихся с испусканием альфа частиц в 20 раз больше. Кроме того, важным фактором является попадение изотопов в легкие и бронхи вместе с дымом при курении.

Вероятно, данные изотопы являются одним из существенных факторов развития рака в органах дыхания. Вот, например, статья в Nature про накопление изотопа свинца 210 в бронхах. Вот еще статья про радиоактивность табака. А вот мета-исследование 2018 года, в котором делается вывод, что радиоактивность табака не вызывает сомнений, однако, сложно сказать, каков эффект на здоровье людей оказывает именно радиоактивность табака при неустранимости прочих факторов.

Так или иначе, согласитесь, что эффект от плашки радиационной опасности на пачках сигарет был бы куда сильнее с точки зрения борьбы с курением. Вот, например, статья с сайта американского центра по контролю и предотвращению заболеваний (CDC).

Такие дела.

#danger

Рефрактометр. (Спиртометр)
Начало смотрите тут.

Одним из способов определить содержание спирта в водно-спиртовом растворе является измерение коэффициента преломления света в растворе в сравнении с коэффициетом преломления света в дистиллированной воде. Для этих целей применяют прибор, который называется рефрактометр (рефракция = преломление).

В веществах с разной плотностью свет распространяется с разной скоростью. Отношение этих скоростей равно отношению коэффициентов преломления или отношению синусов углов падающего и преломленного луча к перпендикуляру к поверхности раздела сред. Более того, в идеальном случае зависимость коэффициента преломления от состава раствора линейно зависит от объемных долей входящих в состав компонентов.

Рефрактометр устроен довольно просто и выглядит классно (см. фото ниже). Исследуемую жидкость наносят на окошко главной призмы (прозрачное стекло с высоким показателем преломления). Через систему линз преломленный свет попадает на шкалу, которую можно увидеть в монокуляр. Граница между светлым и темным участком на шкале как раз и определяет численное значение, например, содержания спирта в воде (предварительно прибор необходимо откалибровать при помощи дистиллированной воды).

Однако, такой прибор довольно чувствителен к температурным колебаниям внешней среды, а также к содержанию примесей в исследуемом растворе. Поэтому исследовать содержание спирта в пиве или вине напрямую таким прибором не получится из-за содержания сахара и других веществ в этих напитках.

#housphys #funfact

Рефрактометр. Фото с сайта alcofan com =)

Куда улетают воздушные шарики? (Сила Архимеда)

@Helen_korn задала вопрос: куда же деваются сбежавшие воздушные шарики, наполненные гелием? Чтобы ответить на этот вопрос, надо разобраться, почему вообще воздушные шарики, наполненные гелием взлетают?

Если упростить картину, на шарик действуют две силы, интересные нам: сила тяжести, направленная вниз, к земле и сила Архимеда, толкающая шарик вверх. Напомню, что такое сила Архимеда: на любые тела, погруженные в жидкость или газ в поле силы тяжести действует выталкивающая сила, численно равная весу объема вытесненной жидкости или газа.

Т.е. сила, толкающая шарик вверх, зависит от объема шарика, плотности окружающего воздуха и ускорения свободного падения. Сила, которая тянет шарик вниз равна массе шарика, умноженной на ускорение свободного падения.

Условие, при котором шарик перестает подниматься — равенство этих сил. С высотой уменьшается плотность воздуха, и давление, которое воздух оказывает на шарик. Поэтому с одной стороны падает плотность окружающего воздуха, с другой — увеличивается объем шара, т.к. давление внутри перестает уравновешиваться наружним давлением. Но давайте оценим порядок высоты, до которой может подняться шарик, сделанный из невесомого и нерастежимого материала.

В этом случае, масса шарика в точности равна массе гелия в шарике. И приравняв две действующие силы мы обнаружим, что плотность воздуха должна быть равна плотности гелия при нормальных условиях, чтобы эти две силы сравнялись. Это достигается примерно на высоте 16 км над уровнем моря.

В действительности, гелий достаточно текущий газ, он хорошо просачивается сквозь микро поры в материале шарика, особенно если материал эластичный и начинает растягиваться из-за внутреннего давления в шарике. Сама оболочка шарика имеет не нулевую массу, что будет снижать максимально возможную высоту подъема. Поэтому с течением времени шарик начнет постепенно снижаться, так и не достигнув желаемых высот. Большая часть шариков падает в моря и океаны =(. Если же шарик слишком сильно надут, то он может просто не выдержать дальнейшего роста объема с высотой и лопнуть.

Кстати, в книге рекордов Гиннесса есть запись, что в 2001 году детский шарик, наполненный гелием забрался на высоту 5.6 км (даже до высоты полета самолетов не добрался). Здесь надо оговориться, что специальные аэростаты могут достигать и больших высот (рекорд на сегодня — 53 км). Они делаются из специальных материалов, способных сильнее растягиваться, не пропуская гелий наружу, тем самым могут увеличивать свой объем, а значит и силу, толкающую их вверх.

#funfact

Качаясь на гравитационных волнах. (Не могу не поделиться!)

Вчера астрофизики из колаборации NanoGrav сообщили об обнаружении постоянного фона гравитационных волн в нашей Галактике!

Напомню, что сравнительно недавно коллаборации LIGO и VIRGO сообщили об обнаружении гравитационных волн, возникших от слияния двух черных дыр - колоссального по масштабу события. За экспериментальное обнаружение гравитационных волн в 2017 году была присуждена Нобелевская премия.

Помимо таких единичных событий — столкновений массивных объектов — могут существовать и другие источники гравитационных волн. Например, системы из вращающихся вокруг друг друга черных дыр. Проблема в том, что гравитационные волны от таких систем значительно слабее. Кроме того, никаких экспериментальных доказательств существования подобных систем, излучающих гравитационные волны, до этого не было.

Чтобы зарегистрировать «гравитационную рябь» ученые использовали детектор галактического масштаба. Они наблюдали при помощи радиотелескопов за излучением специальных звезд, пульсаров, которые излучают радиоволны со строгой периодичностью. Физики пытались обнаружить, существует ли корреляция в излучении пульсаров, находящихся под разными углами к Земле. Если бы в пространстве между Землей и пульсарами отсутствовала постоянная гравитационная рябь, то попарной корреляции в излучении пульсаров не было бы.

Наблюдая за пульсарами около 15 лет, ученые обнаружили корреляцию с достоверностью более 3 сигма (шанс, что обнаруженная взаимосвязь — результат ошибки измерений не превышает 1 к 1000). Это серьезное основание полагать, что такие гравитационные волны действительно существуют, а значит существуют и их источники! Еще один плюсик в пользу теории гравитации Эйнштейна :).

#funfact

https://youtube.com/clip/UgkxlkqAIeujP2NyHnJpqgQnhRUUFf7gtsMo

Если нет времени посмотреть анонс целиком, потратьте 27 секунд, чтобы посмотреть на симуляцию, как могут рождаться такие гравитационные волны.