«Как это работает?»: 6 устройств, которые нарушают законы физики

В мире есть немало вещей, которые устроены весьма необычно — может даже показаться, что они нарушают законы физики в процессе работы. Конечно, это не так, но принципы их работы довольно занятны, если в них разобраться. О нескольких таких гаджетах Vokrugsveta.ru рассказал автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский. 

Аналоговые вычислительные машины

Электромеханический калькулятор не очень похож на привычный нам электронный, не говоря уже о приложении на вашем смартфоне. В этом устройстве все логические операции производятся за счет движения его деталей. Работает такой калькулятор громко и медленно, но в вычислениях не ошибается, а в отсутствие энергии, его механизм можно приводить в движение вручную.

Механические счетные машины существуют с античных времен, но с развитием полупроводниковой электроники они из полезных устройств, способных производить сложные вычисления, превратились в музейные экспонаты или развлекательные гаджеты. Например, в середине XX века в США появилась образовательная игрушка-калькулятор Digi-Comp II, позволявшая производить основные математические операции над двоичными числами при помощи гравитации, шариков и системы переключателей.

В этом видео показан механизм работы современной версии Digi-Comp II, выполненной из дерева. Гаджет умножает 5 на 9 — шарики приводят переключатели результата в одно из двух возможных положений. В данном случае ответ составляет 101101 — так в двоичной системе счисления записывается число 45

В основе работы аналоговой вычислительной машины могут лежать и принципы гидродинамики. В XX веке был создан целый ряд устройств, в которых применялась так называемая флюидика — струйная логика. Используя завихрения жидкости, разность давлений и другие гидродинамические эффекты, их конструкторы создавали различные переключатели для вычислений. Вершиной эволюции таких «гидравлических компьютеров» стал представленный в 1949 году MONIAC, созданный в качестве учебного пособия, способного моделировать различные процессы в экономике Великобритании. В нем струи жидкости имитировали денежные потоки: налоги, доходы от инвестиций, сбережения и т. д.

Ролик с субтитрами на русском языке, доступными в настройках, наглядно показывает, как работал MONIAC. Этот экземпляр ныне хранится в музее Резервного Банкa Новой Зеландии

Механический телевизор

Из названия этого устройства может показаться, что ему не требуется электричество для работы, но речь идет о существовавших в начале XX века телевизорах, в которых для формирования изображения на экране использовалась механическая развертка — преобразование сигнала в изображение.

— В ЖК-телевизорах, LED-матрицах, плазменных панелях развертка производится с помощью электроники — на каждый пиксель адресуется строго определенный сигнал. В старых телевизорах с кинескопами развертку осуществляет электронный луч: электромагниты физически отклоняют его и он пробегает по экрану строчка за строчкой, — объясняет Дмитрий Побединский. — Оказывается, существует и механический способ развертки сигнала. Для этого используют диск Нипкова с дырочками на разном расстоянии от центра. При быстром вращении диска дырочки проходят мимо горящей лампы и сливаются в небольшую светящуюся площадь. Если замоделировать яркость свечения лампы неким сигналом, то появится картинка.

Демонстрация принципа работы электромеханического телевизора. Диск Нипкова получил название в честь придумавшего его немецкого изобретателя Пауля Нипкова

В 1920-х годах эта технология использовалась для организации телевещания, но вскоре уступила место более совершенным разработкам. Дело в том, что качество картинки в таких телевизорах было очень низким — в ней было не более 80 строк. Улучшить изображение можно было только за счет увеличения вращающегося диска — для разрешения в 480 линий с диагональю 9 дюймов нужен был диск Нипкова диаметром 30 метров.

Абсорбционный холодильник

Бытовые холодильники работают от электросети и устроены так же, как и кондиционеры: в них есть компрессор, обеспечивающий циркуляцию хладагента по замкнутому контуру. Но существует и особый тип холодильников, которым для функционирования нужен… нагрев. Чаще всего, они работают на газе.

— В контуре у таких абсорбционных холодильников находится не одно вещество, а минимум два. Например, смесь воды и аммиака. В части, называемой генератором, эта смесь нагревается, аммиак испаряется и отделяется от воды, которая поступает в абсорбер — основную емкость для хладагента. Аммиак же сначала конденсируется в одном месте и отдает тепло, а затем, испаряясь, забирает тепло и производит охлаждающий эффект, после чего впитывается в воду — это и есть абсорбция. Затем цикл повторяется, — рассказывает Побединский.

Нередко в контуре таких холодильников есть еще и водород, который концентрируется в испарителе, понижая температуру фазового перехода аммиака, что усиливает охлаждающий эффект. Абсорбционные холодильники не столь эффективны, как обычные, но зато работают тише, не нуждаются в электричестве и отличаются надежностью.

Фонтан Герона

По закону сообщающихся сосудов, уровень жидкости в них всегда будет равен. Но существует фонтан Герона, в котором две сообщающиеся емкости с жидкостью соединены с третьей (верхней) одной трубкой. Когда в верхнюю часть добавляется жидкость, возникает фонтан. В этот момент может показаться, что конструкция нарушает основы физики.

— Закон сообщающихся сосудов работает только для открытых емкостей, где давление одинаково, но в нашем случае нижние сосуды герметичны, и хитрость в том, куда какое давление передается, — поясняет Побединский. — Устройство будет работать до тех пор, пока жидкость не перельется из одной емкости в другую.

Смастерить фонтан Герона можно из подручных средств: пластиковых бутылок и соломинок

«Вечные» часы

Закон сохранения энергии запрещает существование вечного двигателя, черпающего энергию из ничего. Однако на свете есть механические часы с вращающимся маятником, которые могут работать сами по себе в течение долгих лет и даже десятилетий. Увы, на звание вечного двигателя претендовать они всё же не могут.

— Устройство берет энергию из колебания температуры в помещении. Специальная емкость, наполненная этилхлоридом, сжимается и расширяется при изменениях температуры. Этого движения достаточно, чтобы подзавести часы. Разницы в 1 ℃ хватает, чтобы они работали минимум двое суток, — рассказывает физик.

Птичка Хоттабыча

Эта довольно популярная игрушка тоже может работать «вечно». Если намочить ей клюв, она начнет качаться, снова и снова касаясь воды в стоящей рядом емкости.

Птичка Хоттабыча в действии. Нехитрое устройство состоит из герметичной колбы с эфиром и опущенной в нее трубки с шарообразным концом, на котором закреплен «клюв» из впитывающего влагу материала

Принцип работы игрушки тоже построен на разнице температур: при испарении воды с клюва птички происходит охлаждение. Поскольку внутри устройство герметично, пары эфира в верхней части сжимаются. Из-за этого жидкий эфир затягивается наверх, «голова» перевешивает, и птичка наклоняется. В горизонтальном положении давление выравнивается, жидкость устремляется обратно, а птичка выпрямляется.

— Это тоже не вечный двигатель. Как только вода в емкости испарится, движение прекратится, — подытоживает Дмитрий Побединский.