Плазменный шар
Этот шар похож на магический шар предсказаний из мистических фильмов. Мы видим как ленты красочных плазменных разрядов, начинаясь в центре, пронизывают сферу до наружной поверхности.
Предупреждение! Не трогайте шар влажными руками (или другими части тела) – разряд тока будет значительным.
Не подносите металлические предметы и электронные приборы к стенкам сосуда! Металлические предметы могут усилить воздействие электрическим током.
Безопасно трогать шар сухими руками. Что мы видим? Из центральной светящейся сферы в сторону нашей руки идет плазменный шнур. Как это все работает?
Внутри находится электрод, на который подаётся переменное высокое напряжение, около 3500В, с частотой около 30 кГц. Переменное напряжение вызывает переменное электромагнитное поле, которое распространяясь во всех направления взаимодействует с окружающей средой. Электромагнитное поле пробивает разряженный газ (давление внутри шара в 100 раз меньше атмосферного давления) и создаёт тлеющие разряды. Летящие электроны при столкновении с атомами возбуждают их, при переходе атомов в невозбуждённое состояние происходит излучение, которое мы видим. Такие шары наполняют различными благородными газами. В зависимости от типа газа меняется цвет разряда. Чаще всего применяют аргон, у него - фиолетово-голубой цвет. Аргон обычно применяют совместно с парами ртути.
Дополнительно
Этот шар был изобретён Николой Тесла почти 100 лет назад. В эффекте «магического» притягивания разряда к руке применяется подобный физический принцип, что и во всех современных смартфонах и планшетах, в устройстве типа «тач скрин». Почему сенсорный экран управляется на касание рук? Внутри сенсорного экрана располагаются емкостные датчики. Устройство реагирует на человека, потому что человек является достаточно значительной емкостью (конденсатором). Электромагнитное поле плазменного шара взаимодействует с любой емкостью, вызывая в нем электрический ток, что и стимулирует пробой электрического разряда.
На высокой частоте (более 100 кГц) электромагнитных колебаний возникает скин-эффект, когда ток проходит по поверхности кожи без вреда для здоровья. В данном случае скин-эффекта нет, а безопасность обеспечивается низкой величиной проходящего через человека тока. Катушка Тесла, (которую сейчас использую только рад забавы, а ведь в ней скрыт огромный потенциал, который либо не раскрыт, либо специально приуменьшается и не используется.) на выходе давала ток частотой 150кГц с напряжением, измерявшимся в мегавольтах. Когда Тесла экспериментировал с огромной катушкой, гром от электрических разрядов был слышен в за 25км от лаборатории. Гуляющие люди возле его лаборатории видели, как между их ногами и землей проскакивали искры. Тесле пришлось закончить эксперимент после того как на ближайшей электростанции от нагрузки сгорел генератор.
Стул с гвоздями
Подходите, посмотрите на наш стул с гвоздями. Как Вы думаете для чего он здесь? Может для наказания, тех кто не знает законов физики или для цирковых артистов? В детстве мы все слышали, что только йоги могут лежать или стоять на гвоздях, но на самом деле любой человек, не имеющий никакой специальной подготовки сможет легко повторить этот трюк. Те кто знает законы физики, легко согласятся присесть на него без страха и сомнений. Кто первый проверит, что сидеть на гвоздях безопасно? Главное предупреждение, - руками не опираться, не ёрзать, не прыгать на стуле, чтобы одежду не попортить. Как видите, это абсолютно безопасно и почти не больно. Почему так происходит?
А если я предложу Вам сеть на стул с 1 или с 10 гвоздями? Опасно! Что меняется, если гвоздей много? Когда гвоздей много, то увеличивается общая площадь опоры тела. В результате многократно снижается нагрузка на поверхность тела. В этом стуле примерно 900 гвоздей. Во-столько же раз уменьшилось давление на тело, а значит остается целым.
Путём простых вычислений мы можем посчитать какой вес приходится на один гвоздь – для этого надо вес человека разделить на 900. Допустим тот, кто лежит весит 90 килограмм, т.е. 90000 грамм, разделив на 900 мы получаем 100 грамм, именно такой вес приходиться на один гвоздь.
Казалось бы, это очень узкий пример, но нет. По этому принципу действует очень много вещей нас окружающих.
Пример 1
По рыхлому снегу человек идёт с большим трудом, глубоко проваливаясь при каждом шаге. Но, надев лыжи, он может идти, почти не проваливаясь в него. Почему? На лыжах или без лыж человек действует на снег с одной и той же силой, равной своему весу. Однако действие этой силы в обоих случаях различно, потому что различна площадь поверхности, на которую давит человек, с лыжами и без лыж. Площадь поверхности лыж почти в 20 раз больше площади подошвы. Поэтому, стоя на лыжах, человек действует каждый квадратный сантиметр площади поверхности снега с силой, в 20 раз меньшей, чем стоя на снегу без лыж.
Дополнительно
Пример 2. Ученик, прикалывая кнопками газету к доске, действует на каждую кнопку с одинаковой силой. Однако кнопка, имеющая более острый конец, легче входит в дерево.
Пример 3. Тяжелый гусеничный трактор производит на почву давление равное 40 - 50 кПа, т. е. всего в 2 - 3 раза больше, чем давления мальчика массой 45 кг. Это объясняется тем, что вес трактора распределяется на большую площадь. А мы установили, что чем больше площадь опоры, тем меньше давление, производимое одной и той же силой на эту опору.
Пример 4. В зависимости от того, нужно ли получить малое или большое давление, площадь опоры увеличивается или уменьшается. Например, для того, чтобы грунт мог выдержать давление возводимого здания, увеличивают площадь нижней части фундамента.
Пример 5. Шины грузовых автомобилей и шасси самолетов делают значительно шире, чем легковых. Особенно широкими делают шины у автомобилей, предназначенных для передвижения в пустынях.
Тяжелые машины, как трактор, танк или болотоход, имея большую опорную площадь гусениц, проходят по болотистой местности, по которой не пройдет человек.
Пример 6. Лезвие режущих и острие колющих инструментов (ножей, ножниц, резцов, пил, игл и др.) специально остро оттачивается. Потому-что острое лезвие имеет маленькую площадь, поэтому при помощи даже малой силы создается большее давление, и таким инструментом легко работать.
Режущие и колющие приспособления встречаются и в живой природе: это зубы, когти, клювы, шипы и др. - все они из твердого материала, гладкие и очень острые.
Дополнительно (второй более высокий уровень)
Как известно, давление — это сила, действующая на единицу поверхности перпендикулярно последней. Мужчина массой 90 кг имеет вес порядка 880 Н, именно с такой силой он давит на поверхность, которая служит ему опорой.
Давление = сила / площадь.
Обозначим величины, входящие в это выражение: давление - p, сила, действующая на поверхность, - F и площадь поверхности - S.
Тогда получим формулу:
p = F/S.
Понятно, что большая по значению сила, действующую на ту же площадь, будет производить большее давление.
За единицу давления, принимается такое давление, которое производит сила в 1 Н, действующая на поверхность площадью 1 м2 перпендикулярно этой поверхности.
Единица давления - ньютон на квадратный метр (1 Н / м2). В честь французского ученого Блеза Паскаля она называется паскалем (Па). Таким образом,
1 Па = 1 Н / м2.
Используется также другие единицы давления: гектопаскаль (гПа) и килопаскаль (кПа).
1 кПа = 1000 Па;
1 гПа = 100 Па;
1 Па = 0,001 кПа;
1 Па = 0,01 гПа;
Пример. Рассчитать давление, производимое на пол мальчиком, масса которого 45 кг, а площадь подошв его ботинок, соприкасающихся с полом, равна 300 см2.
Запишем условие задачи и решим её.
Дано: m = 45 кг, S = 300 см2; p =?
СИ - 0,03 м2
Решение:
p = F/S,
F = P,
P = gm,
P = 9,8 Н * 45 кг ≈ 450 Н,
p = 450/0,03 Н / м2 = 15000 Па. =15 КПа
Ответ: p = 15000 Па. =15 КПа
С другой стороны, при малой площади поверхности можно небольшой силой произвести большое давление. Например, вдавливая кнопку в доску, мы действуем на нее с силой около 50 Н. Так как площадь острия кнопки примерно 1 мм², то давление, производимое ею, равно:
p = 50 Н/ 0, 000 001 м² = 50 000 000 Па = 50 000 кПа.
Для сравнения, это давление в 1000 раз больше давления, производимого гусеничным трактором на почву. Можно найти еще много таких примеров.
Теперь представим себе, что человек лежит на спине, причем с поверхностью он контактирует всего двумя областями — спиной (она на возвышении) и пятками. Площадь контакта его спины с поверхностью составляет около 0,1 м². Примерно 1/3 массы приходится на ноги, таким образом, можно считать, что спиной он давит на поверхность с силой примерно 600 H, а оказываемое давление составляет 600/0,1 = 6000 Па = 6 кПа.
А теперь представьте себе, что мы легли спиной на гвоздь. Пятно контакта уменьшилось до кончика гвоздя, то есть примерно до 0,5 мм², или до 0,0000005 м²! Давление возрастет во много раз и составит порядка 1,180,000 кПа — этого будет вполне достаточно для того, чтобы кожа не выдержала и порвалась. По сути, в этот момент мы получили травму и при самом благоприятном исходе испортили себе целый день и несколько последующих. А при неблагоприятном — загремели в больницу.
В случае же с целой доской гвоздей ситуация совершенно иная. Давление распределяется по всей поверхности спины; взаимодействие между кончиком одного гвоздя и участком кожи составляет вовсе не рассчитанные нами выше 1,180,000 кПа, а значительно меньше.
В нижнюю доску вбито 1222 гвоздя, то есть суммарная площадь их кончиков составляет 0,000611 м2, а распределенное по ним давление на спину — всего около 1000 кПа, что равнозначно 10 кг на 1 см² кожи, неприятно, но терпимо. Более того, когда давления каждого отдельного гвоздя на участок кожи недостаточно для того, чтобы ее пробить, кожа натягивается, способствуя распределению давления между соседними гвоздями.