Физика и промышленность Физика стоит у истоков революционных преобразований во всех областях техники. На основе её достижений перестраиваются энергетика, связь, транспорт, строительство, промышленное и сельскохозяйственное производство. Развитие физики обусловлено потребностями техники. С одной стороны, необходимость технического прогресса определяет тематику физических исследований, с другой стороны, от уровня развития техники зависят возможности применяемой в научных исследованиях аппаратуры. Между наукой и производством, наукой и практикой существу ют довольно сложные отношения, но независимо ни от чего все эти виды человеческой деятельности не могут существовать без полной взаимообусловленности и взаимосвязи. Можно привести множество примеров, когда наука (теория) обгоняла практику и, наоборот, практика (техника) влияла на развитие теории. Известно, что теоретические основы движения тел за пределами земного тяготения были сформулированы в трудах И. Кеплера (1571– 1630) и И. Ньютона (1643 –1727), открывших законы движения небесных тел и выяснивших причины этого движения. Одна ко от теории до практического использования этих законов в космонавтике прошло около трех столетий, пока не были подготовлены технические условия для запуска первого искусственного спутника Земли и полета человека в космос: изготовлены особо прочные материалы для постройки космического корабля, создано горючее для двигателей, разработаны средства управления и связи, а главное — открыт новый вид движения и сконструированы реактивные двигатели и ракеты, способные вывести полезную нагрузку за пределы Земли. Еще одним примером открытия, сделанного «на кончике пера», служит расчет орбиты планеты Нептун, а затем и ее обнаружение в 1846 г. Так было еще раз продемонстрировано величие науки, важное значение теории в процессе познания окружающего мира. Приведем несколько обратных примеров. Несмотря на то что люди уже давно использовали в практике тепловые явления и даже создали паровые машины, теория тепловых двигателей была предложена Сади Карно лишь в 1824г. и только тогда был показан метод исследования процессов и определения коэффициента полезного действия этих машин (есть готовый мастер-класс). Появились двигатели внутреннего сгорания, холодильные машины и реактивные двигатели. Физика имеет огромное практическое значение. На основе фундаментальных физических теорий развиваются современная техника и вместе с ней производительные силы общества. В наши дни, в эпоху интенсивного научно-технического прогресса, осуществляется непосредственная связь науки (прежде всего физики) с производством. Этим объясняется невиданный ранее технический прогресс, характерный для современного общества. Вся современная техника основана на широком применении результатов исследований в физике. Физику поэтому считают основой техники, подчеркивая, что физика сегодня — это техника завтра. Примером, подтверждающим эту мысль, может служить компьютеризация современного производства, проникновение электронно-вычислительной техники во все сферы жизни человека. Движением современных воздушных и океанских лайнеров, полетом космических кораблей, автоматическими процессами управляют электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Они производят сложнейшие математические расчеты и решают задачи в различных отраслях человеческой деятельности (от управления производством до медицины и лингвистики). В настоящее время создаются ЭВМ, производящие несколько миллионов математических операций в одну секунду. Как же велики силы человеческого ума, создавшего себе такого умного помощника! Компьютеризация как одно из направлений научно-технического прогресса основана также на достижениях физики, в частности физической электроники, в рамках которой создаются компактные полупроводниковые и магнитные элементы, входящие в конструкции ЭВМ. Пока с компьютеризацией производства в нашей стране дело обстоит несколько хуже, чем в ряде других цивилизованных стран. На законах физики основана работа разнообразных машин, используемых в промышленности, сельском хозяйстве, железнодорожном, воздушном, автомобильном, водном транспорте. Современная промышленность черной и цветной металлургии, машиностроение, химическая промышленность, станкостроение, пищевая промышленность, промышленность стройматериалов и многие другие отрасли народного хозяйства нуждаются в контроле и управлении технологическими процессами. Контроль и управление технологическими процессами в настоящее время при широко развитой автоматизации производств осуществляются разнообразными теплофизическими, электронными, радиоэлектронными, оптическими приборами и ЭВМ. Поэтому появились целые отрасли приборостроительной промышленности, неразрывно связанные с физическими лабораториями университетов и научно исследовательских институтов Российской академии наук (РАН). Наука становится в физических лабораториях производительной силой. ____________________________________________________________ интересный факт 18 век характеризуется переходом к машинному производству. Во второй половине 18 в. в Англии происходит промышленная революция. Возникает фабрично-заводская система и механизация, особенно в легкой промышленности. Уже с конца 17 в. пытаются применить паровую машину для откачки воды из шахт. Для этого используют машины Севери (1650 – 1715) и Ньюкомена (1663-1729). Первая паровая машина непрерывного действия была сконструирована Иваном Ивановичем Ползуновым (1728-1766). В ней предусматривалось автоматическое регулирование впуска и выпуска пара. Испытана была уже после смерти изобретателя. Практического применения не получила из-за аварии. Решающий шаг в этом направлении был сделан Джеймсом Уаттом (1736-1819). Совершенствуя машину Ньюкомена, Уатт изобрел паровую машину непрерывного действия и запатентовал ее в 1784 г. В ней пар запускался попеременно то с одной, то с другой стороны по отношению к поршню. Машина получила широкое распространение. Отсюда - Ватт! Англия - передовая в техническом отношении страна - была глубоко религиозна. Это создало благоприятные условия для развития идеализма в философии. Наиболее видные представители этого направления: Джордж Беркли (1684-1753) и один из родоначальников субъективного идеализма и основоположник агностицизма Дэвид Юм (1711-1776). Однако в то время идеалистические философские системы почти не повлияли на развитие физики, ибо отрицание материи и причинности не было воспринято. Влияние идеализма проявилось позже. Иное дело - Франция, в которой развивался материализм просветителей (Вольтера и Руссо) и материалистов (Ламетри. Гольбаха, Дидро). Это оказало положительное влияние на развитие науки во Франции, которая материалистически переработала учение Ньютона. Германия оставалась раздробленной. В середине 18 в. там пользовалась влиянием философия Христиана Вольфа (1679-1754), который, по словам Г. Гейне, был более энциклопедической, чем систематической головой. Он примирял противоречия и науку с религией. Был учителем М.В. Ломоносова в Марбурге. Во второй половине 18 в. появляются философские труды Иммануила Канта (1724-1804). “Всеобщая естественная история и теория неба” - одна из его первых работ, где Кант разработал космогоническую гипотезу, повлиявшую на дальнейшее развитие астрономии. Развитие науки в 18 в. определяла практика. Особенно быстро развивалась механика трудами Эйлера, Лагранжа, Даламбера, создавшими аналитическую механику. Оптика тоже развивалась, но медленнее. Общая картина мира в то время еще не строилась: сильно было влияние Ньютона. Продолжалась полемика вокруг природы тяготения. Картезианские вихри и “тонкие жидкости” не исчезли из поля зрения. Во введении к “Началам” Ньютон завещал: “...было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы...”. Поскольку известны были разные силы: тяготения, магнитные, электрические, химические, их стали объяснять невесомыми жидкостями, материями. Такова особенность развития ньютонианства в 18 в. Эта концепция господствовала до середины 19 в. Значительная часть физиков довольствовалась простой констатацией фактов, суждение об их сущности считалось вредным. Однако представление о материальном единстве мира Декарта в ньютоновской физике исчезло появилась множественность сил, “невесомых” материй. ___________________________________________________________ Вся жизнь и все, что происходит вокруг нас, происходит согласно с законами физики. Но практическому применению физических законов в современном производстве, потреблении и выживании не предоставляется достаточного внимания на сегодняшних уроках физики. По сей день в поле зрения находятся лишь азы физики, такие, как незначительные колебания давления, температуры и содержания влаги. Именно эти факторы обусловили создание первоклассных продуктов, которые своим совершенством, простотой и полезностью затмевают результаты генетических модификаций. Вместо биологических манипуляций лучше переймем опыт природы в использовании законов физики. С первой наносекунды создания нашего мира и до сих пор эволюция биологических видов, их формирование проходили под воздействием температуры и давления – основных физических параметров. Биологические виды Земли подвергались взаимодействиям и реакциям, трансформируя свой эволюционный опыт в необычное разнообразие. Экосистемы развивались таким образом, что поделены на миллионы уникальных разновидностей, они и сегодня продолжают существовать по законам физики и биохимии, при этом развиваясь и биологически. Удивительно, как все живое в природе научилось использовать законы физики в свою пользу. Возможно, потому, что в отличие от законов грамматики или биологии, правила физики не имеют исключений. Так, солнце восходит каждое утро, яблоки падают с деревьев, области низкого и высокого давления вызывают ветер. В химии же все зависит от температуры, давления и наличия катализатора. По биологии, то даже на примере морского конька, мужчина которого вынашивает потомство, мы видим, что ее правила имеют исключения. Ученые связывают это с прошлыми несколькими миллиардами лет, когда вся Земля эволюционировала и приспосабливалась к температуре воды и воздуха, давления окружающей среды. Каждый существующий на Земле вид приспосабливался к тому, что окружало его. Сформированный в соответствии с законами физики, каждый вид, который прошел миллионы лет развития, научился выживать, пользуясь тем, что было в наличии, и делая все возможное в конкретных условиях. Когда рождается ребенок, его путь к самостоятельной жизни включает и опыт колоссального давления, оно испытывает на себе при появлении на свет. Плечи и грудь ребенка сжимаются для того, чтобы вся жидкость могла выйти из легких. Только освободившись, легкие могут осуществить первый вдох. Это давление – обязательная подготовка к жизни, пробуждает чувство напряжения и обеспечивает контраст, который позволяет почувствовать счастье от появления на Земле. Так происходит со всем живым. Когда бабочка оставляет свой кокон, терпеливый наблюдатель может увидеть тяжелую борьбу в течение многих часов на пути превращения его в хорошую крылатое существо. Первые научные исследователи, разрезав кокон с целью помочь бабочке выбраться, потом убедились, что он не мог лететь и быстро умирал после безболезненного рождения. Итак, давление может расцениваться как признак жизни, ускоряет сложную динамику формирования и функционирования – от сокращения мышц и сердцебиения до «оживления» всех частей тела, вдыхание и выдыхание. Представляется, что кризис – это другая форма давления, которая подталкивает нас к принятию новых решений. Одновременно она напоминает нам о прелести жизни на Земле. ____________________________________________________________ Промышленный переворот - переход от ручного к машинному производству был переломным периодом в развитии истории производительных сил общества. Одновременно промышленный переворот ознаменовался переходом к новым, соответствующим машинному способу производства, производственным отношениям - к капитализму. В. И. Ленин, показывая в своей работе "Развитие капитализма в России" соответствие исторических этапов развития техники различным общественным укладам, писал: "Мелкое товарное производство характеризуется совершенно примитивной, ручной техникой, которая оставалась неизменной чуть ли с незапамятных времен. Промышленник остается крестьянином, перенимающим по традиции приемы обработки сырья. Мануфактура вводит разделение труда, вносящее существенное преобразование техники, превращающее крестьянина в мастерового, в "детального рабочего". Но ручное производство остается, и на его базисе прогресс способов производства неизбежно отличается большой медленностью. Разделение труда складывается стихийно, перенимается так же по традиции, как и крестьянская работа. Только крупная машинная индустрия вносит радикальную перемену, выбрасывает за борт ручное искусство, преобразует производство на новых, рациональных началах, систематически применяет к производству данные науки"*. * (В. И. Ленин, Сочинения, изд. 4, т. 3, стр. 477.) В этой главе описывается только начало, только самый процесс становления машинной индустрии, сыгравшей впоследствии указанную Лениным роль в систематическом применении к производству данных науки. Но и самое начало машинной индустрии уже порождало новые, более тесные связи между наукой и производством. Новые конструктивные формы машин создавались еще преимущественно людьми заводской практики - механиками, ткачами, прядильщиками и т. д., но уже появляется потребность обращаться к науке за сведениями, перед наукой ставится ряд проблем, что будет показано на примерах в этой главе. Применение науки к производству потребовало изыскания наиболее рациональных форм связи между теоретиками-учеными и практиками-производственниками. Одна из таких форм - технические учебные заведения высшего класса - втузы. Организация высшей технической школы началась закономерно с тех областей техники, которые развивались раньше всего и требовали издания технической литературы. Так, в России первым высшим техническим учебным заведением явился Горный институт, основанный в С.-Петербурге в 1774 г. Развитие прикладной механики в горнорудном деле, а позднее в машиностроении привело к организации во всех экономически развитых странах политехнических высших школ, в которых уже к середине XIX в. определились первые крупные отрасли технического образования в форме горных, механических, строительных и химических факультетов. В период промышленного переворота задачи, исходившие от возникновения машинного производства, решались на факультетах натуральной философии университетов, занимавшихся вопросами естествознания. Маркс показал, что промышленный переворот имел два последовательных этапа своего развития. Первый этап состоял во внедрении в промышленность первых машин, полностью заменивших рабочего в выполнении технологических функций производственного процесса. Второй этап состоял во внедрении в промышленности и на транспорте универсального двигателя. Оба этапа были подготовлены предыдущим ходом развития техники. В течение мануфактурного периода производства сложились предпосылки к возможности замены технологических функций рабочего в связи с их упрощением, достигнутым при глубоком, подетальном и пооперационном, разделении труда. Выше на примере станка Леонардо да Винчи для насечки напильников было показано, что техника вплотную подошла к возможности изготовления машин, способных "выбросить за борт ручное искусство". Развитие простейших технологических машин и их привода от гидравлических колес вызвало к жизни почти весь современный ассортимент деталей и звеньев, из которых можно было конструировать машины, способные заменить искусные руки человека. Сложились и предпосылки для осуществления второго этапа промышленного переворота - внедрения универсального двигателя. К середине XVIII в. возможность совершения механической работы за счет теплоты уже широко реализовалась на практике при постройке многочисленных водоподъемных установок. Возможность расширения двигательных функций этих установок была подготовлена развитием разнообразных машин и механизмов, в состав которых входили звенья будущих универсальных двигателей: валы, кривошипно-шатунные механизмы, маховики. Указанные возможности не замедлили проявиться, как только достаточно настоятельными стали потребности в их реализации. Эти потребности раньше всего и острее всего проявились в Англии. Победа Англии, присоединившей в результате многовековой борьбы к своим владениям многие голландские, французские и испанские колонии, привела к развитию обширной колониальной торговли, вызвавшей большой спрос на продукцию обрабатывающей промышленности. Мануфактурное производство, использовавшее все резервы ручного труда - его разделение, специализацию, организационные формы и интенсификацию,- не в состоянии было удовлетворить резко возросших потребностей рынка. После использования всех возможностей ручного производства единственным методом повышения производительности труда была передача выполнения технологических функций рабочего машине. ____________________________________________________________ Физика в промышленности и в сельском хозяйстве. Изобретение колеса. Одним из самых важных, но простых изобретений, сделанных человеком,- это обыкновенное колесо. Любопытно, что изобрели колесо вовсе не для того, чтобы быстрее передвигаться. Пока древние люди вели кочевой образ жизни, они весь свой нехитрый скарб носили с собой. А вот когда они осели на одном месте, тогда им понадобилось колесо. Оседлый человек стал засевать поля, разводить скот, строить большие поселения, а потом и города, началась торговля камнем, лесом, зерном. При этом людям приходилось перемещать огромные тяжести на большие расстояния. И идея колеса не могла не родиться. Колесо имеет большую роль в жизни человека, а в частности и с физической точки зрения. Архимед и его изобретения. Архимед (287 до н. э. — 212 до н. э.) — древнегреческий математик, физик, механик и инженер из Сиракуз. Сделал множество открытий в геометрии. Заложил основы механики, гидростатики, автор ряда важных изобретений. Архимед родился в Сиракузах, греческой колонии на острове Сицилия. Отцом Архимеда был математик и астроном Фидий, состоявший, как утверждает Плутарх, в близком родстве с Гиероном, тираном Сиракуз. Отец привил сыну с детства любовь к математике, механике и астрономии. Для обучения Архимед отправился в Александрию Египетскую — научный и культурный центр того времени. Архимед открыл и изобрёл очень многое. Когда он прибыл в Сиракузы после учёбы, то им уже были разработаны методы определения кривых, а также площадей и объёмов геометрических фигур. Он впервые вычислил число "пи"отношение длины окружности с диаметром. Архимед первым ввёл в механику понятие центра тяжести и доказал, что в любом теле есть одна-единсвнная точка опоры, на которой можно сосредоточить его вес. "Дайте мне точку опоры, и я сдвину землю!"- вот крылатая фраза Архимеда. Она сопровождает легеду о том, как одним движением руки был спущен на воду громадный корабль. На самом же деле Архимед использовал оригинальную систему блоков. Конечно, рычаги использовались задолго до Архимеда, но только он смог точно рассчитать математически выигрыш в силе и обосновать принцип многоступенчатой передачи. Архимед был крупнейшим конструктором своего времени. Он внедрил в практику "улитку"- своё изобретение для полива посевов. Другое изобретение учёного-подъёмный винт Архимеда. Он незаменим при откачке воды из под земли. По преданию Архимед просил родствеников поставить на его могилу цилиндр со включённым в него шаром и обозначить соотношение их объёмов. Он считал это открытие основным своим достижением. Паровая машина. Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу. Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от дров до урана. Стационарные машины Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования: Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов, паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения. Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях, а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах. Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место. Транспортные машины Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них: Пароход Сухопутные транспортные средства: Паровой автомобиль Паровоз Локомобиль Паровой трактор Паровой экскаватор, и даже Паровой самолёт. В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м. Изобретение электричества. Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества Одним из первых электричество привлекло внимание греческого философа Фалеса в VII веке до н.э., который обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь приобретает свойства притягивать легкие предметы. Однако долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году появился сам термин электричество ("янтарность"), а в 1650 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. В 1729 году англичанин Стивен Грей провел опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шелк и смолы о шерсть. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создает первый электрический конденсатор — Лейденская банка. Первую теорию электричества создает американец Б. Франклин, который рассматривает электричество как "нематериальную жидкость", флюид («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает громоотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в плоскость точной науки после открытия в 1785 году Закона Кулона. Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 г. изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 г. Василий Петров обнаружил вольтову дугу. Майкл Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле В 1820 год датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830). Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создает на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привел Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы — частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами», — утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита. Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка английским физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 год. В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год). В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд. В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 год был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединенную теорию электрослабых взаимодействий. Электрический двигатель и ДВС Электрический двигатель — это электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую, побочным эффектом является выделение тепла. В основу работы любой электрической машины положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из статора (неподвижной части) и ротора (якоря в случае машины постоянного тока) (подвижной части), электрическим током (или также постоянными магнитами) в которых создаются неподвижные и/или вращающиеся магнитные поля. Статор — неподвижная часть электродвигателя, чаще всего — внешняя. В зависимости от типа двигателя, может создавать неподвижное магнитное поле и состоять из постоянных магнитов и/или электромагнитов, либо генерировать вращающееся магнитное поле (и состоять из обмоток, питаемых переменным током). Ротор — подвижная часть электродвигателя, чаще всего располагаемая внутри статора. Ротор может состоять из: постоянных магнитов; обмоток на сердечнике (подключаемых через щёточно-коллекторный узел); короткозамкнутой обмотки ("беличье колесо" или "беличья клетка"), в которой токи возникают под действием вращающегося магнитного поля статора). принцип действия 3х фазного асинхронного электродвигателя. - При включении в сеть в статоре возникает круговое, вращающееся, магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора, и наводит в ней ток индукции, отсюда, следуя закону ампера (На проводник с током помещенный в магнитное поле действует эдс), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов. Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется ассинхронным, т.к. частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора. Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом. либо имеет в себе часть бельичей клетки (для запуска) и постоянные или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные ассинхронные электродвигатели, либо ротор с к.з обмоткой. Данный двигатель используется практически везде. Некоторые двигатели автомобилей, всевозможные станки, вентиляторы и т.д — это всё электродвигатели. Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС относятся к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т.д.), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте. Физика в медицине. Рентгеновские лучи. Рентгеновское излучение — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 2 до 103 A (от 10 12 до 10 7 м). Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена или меди. В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло. При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентген). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов. Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией. В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК. Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом. В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность. Рентгенотерапия — раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20—60 кв и кожно-фокусном расстоянии 3—7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180—400 кв и кожно-фокусном расстоянии 30—150 см (дистанционная рентгенотерапия). Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки). Ультразвукое исследование. Физическая основа УЗИ — пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды — прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком. Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания — временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание; частотой — числом колебаний в единицу времени; длиной — расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм. Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «импеданс». Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.[2] В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Допплера) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу. Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается). Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 — 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц. Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Допплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты). При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя. Применение: Терапевтическое применение ультразвука в медицине Эхоэнцефалография Офтальмология Ультразвуковое исследование играет важную роль в постановке диагноза заболеваний внутренних органов. Заключение. Физика — это наука используемая везде, хотим мы этого или нет. Всё что находится вокруг нас, всё это подчиняется законам физики. Физика используется во всех отраслях. Медицина, сельское хозяйство, промышленность — это далеко не всё, где физика играет огромную роль. Телефонная связь, компьютер, интернет, лазеры, космонавтика — это всё то что не смогло бы существовать без физики. На данный момент сложно представить нашу жизнь без физики, благодаря ей появляются новые технологии, которые не дают останавливаться техническому прогрессу. Я думаю, именно поэтому физика очень важна в жизни человека.
