Доклад на тему «Физика и её влияние на развитие техники»

Введение

Когда в 1831 году английский физик Майкл Фарадей, двигая магнит внутри катушки из медной проволоки, заметил, что стрелка подключённого к ней гальванометра отклоняется, он открыл явление электромагнитной индукции, и, по известному преданию, на вопрос одного из политиков о пользе этого открытия ответил, что когда-нибудь его можно будет обложить налогом. Предание это, скорее всего, приукрашено, однако суть его верна: через полвека на основе индукции работали электрические генераторы, а сегодня почти вся электроэнергия на планете, от гидроэлектростанции до велосипедной динамо-машины, вырабатывается именно по принципу, найденному Фарадеем в лабораторном опыте.

Ученик седьмого класса только начинает изучать физику, и ему нередко кажется, что формулы о силе, давлении и работе никак не связаны с окружающей жизнью, хотя на самом деле каждая машина вокруг нас, от велосипеда и лифта до самолёта и смартфона, устроена по законам, которые изучаются в школьном курсе. История техники в значительной степени и представляет собой историю применения физических открытий, причём иногда между открытием и его использованием проходят столетия, как с законом Архимеда, а иногда всего несколько лет, как с радиоволнами, которые Генрих Герц получил в 1888 году, а уже в 1895 году А. С. Попов продемонстрировал приёмник, регистрировавший грозовые разряды.

В докладе на примерах законов из школьного курса показано, каким образом физика влияет на развитие техники, и для этого предстоит:

• назвать основные физические законы и принципы, лежащие в основе техники;
• привести примеры их применения в машинах и устройствах;
• рассмотреть, как физика помогла создать электронику и электроэнергетику;
• сравнить, насколько эффективно разные двигатели используют энергию.

Связь между законами физики и техникой легче всего увидеть, если поставить рядом закон, его автора и машину, которая на нём основана, и в таблице 1 собраны примеры, знакомые по курсу физики 7–8 классов.

Таблица 1 — Физические законы и техника, основанная на них

Материал для доклада взят из учебников физики А. В. Пёрышкина, из истории физики и из технических справочников, а сравнивать машины между собой удобнее всего по одному числу. Хорошим показателем того, как физика двигала технику вперёд, служит коэффициент полезного действия, то есть доля энергии топлива или тока, которая превращается в полезную работу, и на рисунке 1 сравниваются ориентировочные значения КПД разных двигателей.

Значения на рисунке ориентировочные и показывают типичный порядок величин, поскольку КПД конкретной машины зависит от её размеров, режима работы и года выпуска. Однако разница видна сразу: паровоз XIX века превращал в работу лишь несколько процентов энергии сожжённого угля, двигатели внутреннего сгорания довели эту долю до трети и больше, а электродвигатели теряют всего около десятой части, и именно понимание законов термодинамики и электромагнетизма позволило инженерам шаг за шагом сокращать потери.

Глава 1. Основные физические законы и принципы в технике

1.1 Физические законы и принципы

Одним из самых древних законов, нашедших применение в технике, можно считать правило рычага, которое сформулировал Архимед в III веке до нашей эры: рычаг находится в равновесии, если силы, действующие на него, обратно пропорциональны их плечам. На этом правиле устроены ножницы, плоскогубцы, тачка, весло, колодезный журавль и башенный кран, а знаменитая фраза, приписываемая Архимеду, о том, что, имея точку опоры, он сдвинул бы Землю, хорошо передаёт суть закона: выигрыш в силе всегда оплачивается проигрышем в расстоянии.

Закон Архимеда о выталкивающей силе, действующей на тело, погружённое в жидкость или газ, объясняет, почему стальной корабль массой в десятки тысяч тонн держится на воде: его корпус вытесняет столько воды, что её вес равен весу судна. Тот же закон определяет подъёмную силу воздушных шаров и дирижаблей, а в подводных лодках он используется при погружении и всплытии, когда балластные цистерны заполняются забортной водой или продуваются сжатым воздухом. Конструктор, проектирующий судно, всегда начинает с расчёта осадки и остойчивости, и ошибка в этом расчёте может стоить кораблю жизни, как случилось в 1628 году со шведским линейным кораблём «Ваза», который перевернулся и затонул в первом же плавании, едва отойдя от причала в Стокгольме.

Закон Паскаля, установленный в XVII веке, гласит, что давление, производимое на жидкость, передаётся ею без изменения в каждую точку, и на нём основаны гидравлический пресс, гидравлические тормоза автомобиля и гидроусилители руля, а также экскаваторы, бульдозеры и подъёмники, у которых тонкие трубки с маслом заменяют сложные системы рычагов. Небольшое усилие ноги водителя на педаль тормоза через жидкость увеличивается во много раз, потому что поршни у колёс имеют большую площадь, чем поршень главного цилиндра.

Законы Ньютона, опубликованные в 1687 году в «Математических началах натуральной философии», стали основой всей механики, и без них невозможно было бы рассчитать ни мост, ни автомобиль, ни полёт ракеты, ведь именно третий закон, о равенстве действия и противодействия, объясняет реактивное движение. На основе работ К. Э. Циолковского, получившего в 1903 году формулу скорости ракеты, советские инженеры под руководством С. П. Королёва 4 октября 1957 года вывели на орбиту первый искусственный спутник Земли, а 12 апреля 1961 года в космос полетел Юрий Гагарин.

1.2 Примеры применения физических знаний

Использование электродинамики в электронике

В 1820 году датчанин Х. К. Эрстед на лекции случайно заметил, что магнитная стрелка поворачивается возле провода с током, через несколько месяцев А. М. Ампер описал взаимодействие токов, а в 1860-е годы Дж. К. Максвелл свёл все известные законы электричества и магнетизма в систему уравнений, из которой следовало существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Электродвигатель Б. С. Якоби, построенный в 1834 году, трансформатор, радио и телевидение выросли из этих работ, и разговор по мобильному телефону сегодня ведётся с помощью волн той же природы, что и свет, только длина у них измеряется сантиметрами, а не долями микрометра.

Электроника XX века появилась благодаря физике полупроводников: в 1947 году в американской Bell Labs Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли создали транзистор, за что в 1956 году получили Нобелевскую премию, а уже в конце 1950-х годов появились первые интегральные микросхемы. В процессоре современного смартфона их миллиарды, размер каждого измеряется нанометрами, и работают они на квантовых свойствах кристалла кремния, которые физики изучали ещё в 1930-е годы, совсем не думая о вычислительных машинах.

Роль тепловых машин в энергетике

Паровая машина Джеймса Уатта, усовершенствованная им в 1760–1780-х годах за счёт отдельного конденсатора, стала двигателем промышленной революции, хотя в то время её создатели ещё не знали законов термодинамики и улучшали машину опытным путём. Лишь в 1824 году французский инженер Сади Карно показал, что КПД тепловой машины ограничен разностью температур нагревателя и холодильника, и этот вывод объяснил инженерам, куда двигаться дальше: повышать температуру и давление пара, что и было сделано в паровых турбинах современных тепловых и атомных электростанций.

Двигатель внутреннего сгорания, в котором топливо сгорает прямо в цилиндре, оказался гораздо компактнее и эффективнее паровой машины, и после работ Н. Отто, создавшего в 1876 году четырёхтактный двигатель, и Р. Дизеля, запатентовавшего в 1892 году двигатель с воспламенением от сжатия, он стал основой автомобилей, тракторов, судов и тепловозов. Сегодня инженеры вновь обращаются к физике, создавая электромобили и гибридные машины, где двигатель внутреннего сгорания дополняется или заменяется электродвигателем, КПД которого, как видно из рисунка 1, намного выше.