Подберите челюсть с пола: 10 потрясающих видео научных экспериментов  (16)

Когда вы охлаждаете определенные материалы ниже определенной температуры, они становятся сверхпроводниками, которые проводят электричество с нулевым сопротивлением. Чуть менее половины известных металлов могут похвастаться наличием "температуры перехода" — как только их температура падает ниже этой точки, они становятся сверхпроводниками. Конечно, эта температура довольно низка. Для родия, например, она составляет -273.15 ºC, всего на пару тысячных градуса выше температуры абсолютного нуля. Из-за этого эксперименты с такими металлами затруднены.

Но техническая мысль не стоит на месте, и относительно недавно были изобретены высокотемпературные сверхпроводники, обычно представляющие собой сложные кристаллические структуры, сделанные из смеси керамики и меди с добавлением некоторых других металлов. Их точка перехода лежит в районе 160 ºC или даже выше. Не та температура, которую можно получить в домашних условиях, но все равно — намного, намного более подходящая для экспериментов. Хотя бы потому, что по счастливой случайности это же является температурой кипения жидкого азота — это удобно, когда вам надо быстро продемонстрировать фокус из тех, что запечатлен на видео.

Фокус в том, что когда сверхпроводник расположен около слабого энергического поля (типа магнита), он создает поверхностный барьер электротока, отталкивающий магнитные волны. Когда это происходит, линии магнитного поля изгибаются вокруг сверхпроводника, удерживая его на месте — в воздухе. Если двигать сверхпроводник в любом направлении, магнитное поле автоматически подстраивается и продолжает удерживать материал на одном месте. Этот феномен известен как квантовая левитация.

Любой может воспроизвести этот эксперимент у себя дома, для этого достаточно добыть подходящую емкость и длинную цепочку из шариков. Затем возьмите цепочку за один конец и бросьте на пол — под воздействием силы тяжести она, как вы и ожидаете, устремиться к полу, однако затем случится что-то странное. Вместо того, чтобы мирно скользить, цепляясь за край сосуда, цепочка внезапно взмоет в воздух в виде небольшого фонтана. Что происходит?

На самом деле объясняется все просто, хоть и выглядит загадочно. В эксперименте задействованы три силы. Сила притяжения, сила "натяжения" — каждый шарик в цепи тащит за собой остальные и… третья сила скрывается внутри сосуда. Дело в том, что он, сосуд, буквально выталкивает цепочку из себя. Чтобы понять, как это вообще возможно, надо рассмотреть, чем же в действительность является цепочка.

На самом базовом уровне цепь — это линия из негнущихся элементов, соединенных гибким соединением. Представьте типичный товарный состав. В гипотетической ситуации, если вы поднимите переднюю часть вагона, он начнет "вращение" вокруг своей центральной оси так, что когда передняя часть идет вверх, задняя опускается вниз. В реальной жизни так не произойдет — помешает земля. Вместо этого вагон станет "на попа", причем в этот момент земля создаст силу противодействия, которая будет стремиться подбросить вагон вверх. И если эта сила пропорциональна массе вагона, ее будет достаточно для того, чтобы на самом деле отправить вагон в полет, пусть и недолгий — пока сила притяжения не возьмет свое.

Возвращаясь к нашему эксперименту — в то время, когда каждое звено цепи прерывает свой "отдых" в сосуде под воздействием силы, которую к нему прикладывает предыдущее звено, уже отправившееся в полет, сосуд (или слой из других звеньев, что в данном случае одно и тоже), придает ему ускорение, достаточное для недолгого преодоления силы тяжести. Так и получается "фонтанчик" из звеньев цепи.

Если неподалеку есть магниты, феррофлюид сразу становится одной из самых примечательных субстанций на планете. Жидкость сама по себе является магнитным порошком, растворенным в жидкости, чаще всего масле. Частицы наномерные и их слишком малый размер не позволяет им магнетически взаимодействовать с другими частицами — в противном случае жидкость просто бы собралась в плотную кучку. Однако если рядом поместить большой магнит, случается настоящая магия.

Чаще всего таким образом формируются шипы и углубления — на взгляд человека. А на самом деле частицы просто пытаются выстроиться в соответствии с воздействующим на них магнитным полем. Шипы возникают там, где поле сильнее, но поскольку масло обеспечивает поверхностное напряжение, две силы достигают равновесия на вершинах шипов. Эффект называется неустойчивостью нормального поля — формируя эти причудливые скульптуры, жидкость уменьшает общую энергию системы так сильно, как только это возможно.

Индукционный нагрев, это процесс, который берет токи высокой частоты и направляет их через катушку, создавая в процессе электромагнит, а затем отправляет результирующий намагниченный поток через проводящий материал. Когда этот поток встречает сопротивление материала, мы получаем термоэффект Джоуля — тепло, полученное из электричества. В данном случае проводником является серебро внутри куба льда и его температура повышается настолько быстро, что возгорания происходит раньше, чем у льда появляется шанс растаять.

Насколько точно быстро? Зависит от типа металла, рекорд — нагрев до 871 ºC всего за 1,5 секунды при передачи 4,1 kW энергии на квадратный дюйм поверхности. В видео ядро куба прогрелось через четыре секунды, так что можно предположить, что в данном случае или использовано меньше энергии, или использованному металлу недостает сопротивляемости. В любом случае — еще пара секунд и мы наблюдаем "сбой в матрице" — горящий лед.

Но попутно возникает еще один вопрос. Все знают, что лед плавится при температуре выше нуля градусов, так почему в данном случае он не превратился моментально в красивую лужицу воды и не испарился? А потому, что вещество получает и испускает энергию в виде дискретных пакетов, следовательно, на передачу всей энергии уходит больше времени, чем мы обычно представляем.

Температура кипения кислорода составляет -183 ºC. Когда она выше, кислород не таит в себе никаких сюрпризов и остается нашим самым любимым газом. Однако ниже этой температуры он приобретает некоторые очень интересные свойства.

Одним из них является парамагнетизм. Парамагнитный материал намагничивается только под воздействием магнитного поля. Будучи газом, молекулы кислорода расположены слишком свободно, чтобы их как-то "трогала" магнитная сила. Однако в жидком состоянии кислород около сильного магнита ведет себя также, как кусок железа и будучи помещенным между двумя по-разному ориентированным магнитами, жидкий кислород образует соединение между ними — именно это показано на видео. К сожалению, долго этот феномен наблюдать невозможно — по мере того, как кислород нагревается под воздействием комнатной температуры, он превращается в газ и делает магнитам ручкой.

Реакция Бриггса — Раушера — один из самых визуально впечатляющих химических экспериментов. Это то, что химики называют автоколебательной химической реакцией — во время взаимодействия ряда химических веществ, жидкость регулярно, с частотой в несколько секунд, меняет свой цвет от прозрачного к янтарному, потом к темно-синему. Автоколебательная реакция может длиться несколько минут, без всякого участия человека. В классической реакции происходит взаимодействии пероксида водорода, йодата, сульфата марганца (II), серной и малоновой кислот и крахмала. Однако некоторые ингредиенты можно менять, соответственно будет меняться и цвет.

Что на самом деле происходит? Когда все вещества (в видео их меньше, зато эффект более визуально четкий) соединяются, йодат превращается в йодноватистую кислоту, а после этого происходит следующая реакция и новая кислота превращается в соль иодистоводородной кислоты и элементарный йод. Так происходит первое изменение цвета — в янтарный. Затем комбинация веществ продолжает "производить" иодид. Как только его становится больше, чем йода, оба они превращаются в йодистый ион, который, в свою очередь, взаимодействует с крахмалом и окрашивает жидкость в темно синий цвет.

Про Николя Теслу и катушку (или трансформатор) Тесла слышали все — хотя бы раз в жизни на уроках физики. Так что все должны знать, что катушка Тесла представляет собой резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты, которое визуально проявляются красивыми электрическими разрядами и искрами.

Современные катушки Тесла в состоянии выдать на гора до 500 тысяч вольт. А чтобы за этим можно было наблюдать без риска для жизни и здоровья (в том числе современных электронных устройств, плохо переносящих сильные магнитые поля), катушки нейтрализуют "клеткой Фарадея", которая в простейшем случае представляет собой хорошо заземленную клетку, выполненную из проводящего материала. В клетке нет электрического тока, кто угодно может там буквально оседлать тысячи вольт электричества и ему за это ничего не будет.

Креативные люди, которые хорошо учились в школе и не прогуливали физику, давно освоили тот нехитрый, но очень зрелищный трюк, что виден на видео. Они могут "играть" с электричеством только потому, что на них надеты заземленные костюмы из проводящего материала, которые представляют собой ничто иное, как клетку Фарадея.

У звуковых волн есть отличная способность заставлять другие объекты "работать" на их частоте —это знает любой, кто слушал громкую музыку с хорошими басами в автомобиле и видел, как зеркала машины начинают подрагивать в такт музыке. То, что запечатлено на видео – тоже самое, только результат более визуально впечатляющий.

24 Гц синусоидальная волна проходит через динамик под краном с водой. Кран начинает вибрировать с частотой 24 раза в секунду, так что выливающаяся вода начинает выливаться волнами, которые соответствуют этой частоте. Однако фокус в том, что при взгляде невооруженным взглядом струя воды будет, конечно, выглядеть волнообразно, но не так драматически, как на видео.

Настоящий герой здесь — камера, которая порождает феномен, известный как смещенная перспектива. Снимая льющуюся воду со скоростью ровно 24 кадра в секунду, камера "заставляет" поток застывать в воздухе. В реальной жизни каждая волна воды 24 раза в секунду занимает одно и тоже положение, а в ролике кажется, будто одна и та же волна "зависла" в воздухе и "висит" вечно. Если изменить частоту на 23 Гц, то возникнет ощущение, что вода льется снизу вверх — все из-за небольшого "рассинхрона", который возникнет из-за того, что камера продолжает снимать с частотой 24 кадра в секунду.

Это очень простое устройство, которое впервые было создано еще в середине XIX века лордом Кельвином (как несложно догадаться). Прелесть этой машины, которая в состоянии генерировать электрическое напряжение порядка 10 кВ в том, что ее может построить любой.

Устройство работает по принципу положительной обратной связи, используя электропроводную недистиллированную воду. Вода капает или льется очень тоненькой струйкой через две по-разному заряженные катушки индуктивности и сама в процессе получает различный заряд.

Когда позитивно заряженные капли падают в сосуд, например, справа, они немного его заряжают и отправляют положительный заряд по проводам в катушку слева, делая его положительно заряженным. В левом сосуде происходит тоже самое, но с другим зарядом. В итоге положительная обратная связь с обеих сторон нарастает до тех пор, пока разность электрических потенциалов не достигает такого значения, при котором происходит разряд — искра, которая проскакивает между сосудами или, как в видео, двумя медными шарами.

Есть оставить в стороне все научное мумбю-юмбо, самый крутой визуальный эффект машины проявляется на катушках. По мере того, как нарастает заряд на катушках, они начинают притягивать ионы воды и делают это с такой силой, что вода начинает буквально крутится вокруг катушек, словно мотыльки вокруг лампы.

Это самая странная вещь из всех, что вы увидите сегодня. Не пытайтесь повторить фокус дома — вещество крайне токсично!

Тиоцианат ртути (II) — довольно полезный белый порошок без запаха, который используется в фотографии, неорганическом синтезе и в аналитической химии. В общем и целом, простым смертным с ним сегодня никак не столкнуться, хотя еще в конце XIX века его применяли в фейерверках (до тех пор, пока несколько детей не попробовали его на вкус и не умерли, увы).

То, что вы увидите в этом видео, это всего лишь химическая реакция, которая происходит при нагревании тиоцианата ртути (II). Она занудная и ее описание легко найти в интернете, а выглядит действительно впечатляюще и даже устрашающе — не пытайтесь смотреть на ночь глядя!