Поперечный дрейф
HTML-код
- Опубликовано: 5 ноя 2023
- Шар на наклонном вращающемся столике не скатывается по уклону, но движется поперёк него, выписывая характерные петли. Мы объясняем это движение и обсуждаем его аналогию с дрейфом заряженной частицы в скрещенных магнитном и электрическом полях.
Ключевые слова: циклоида, сила Лоренца, ларморовский радиус.
Borisov A. V. a.o. (2018). Theoretical and experimental investigations of the rolling of a ball on a rotating plane. www.researchgate.net/publicat...
Gersten J., Soodak H., Tiersten M. S. (1992). “Ball moving on stationary or rotating horizontal surface”. American Journal of Physics, 60(1), 43-47.
Шар на вращающемся столике • Отчего он ходит по кругу?
По кривой прямо в цель • По кривой прямо в цель!
Наш канал с дополнительными материалами
t.me/getaclass_channel
Новосибирский Государственный Университет
Физический факультет НГУ
www.nsu.ru/
Ролик великолепный, Финал восхитительный
С заряженной частицей очень интересный пример. Кстати, если электрическое поле убрать, а магнитное поле сделать не однородным, а градиентным, тогда ларморовский радиус будет разным в разных местах и частица тоже будет двигаться по такой же эпициклоиде
Продолжая мысль, можно прийти к тому, что заряды одного знака будут дрейфовать в одном направлении, а другого знака - в противоположном. То есть, будет протекать электрический ток. При этом, для такого тока не нужно никаких источников ЭДС - достаточно просто броуновского движения заряженных частиц и градиентного магнитного поля. И это уже подтверждено многими экспериментами.
(Идея не моя, если что)
@@space_games Всё правильно, только есть нюанс. По стенкам сосуда, в котором проходит эксперимент, эти заряженные частицы перемещаются в обратном направлении, отскакивая от стенок. Суммарный ток получается равным нулю. Придумать такую конструкцию, которая перехватит только одно направление, и замкнёт ток внешней цепью, мне не удаётся.
@@smartguym.2260 хмм🤔
@@space_games Кое-что придумал. Внутри сосуда, как я уже описал, градиентное магнитное поле не может использовать тепловое движение заряженных частиц, чтобы создать ЭДС, способную создавать ток во внешней цепи. Но можно использовать градиентное магнитное поле как вспомогательное, а в качестве источника ЭДС взять термо-ЭДС при термоэлектронной эмиссии. В обычных условиях без магнитного поля, при одинаковых температурах, термо-ЭДС, образуемые термоэлектронной эмиссией с обоих электродов в точности компенсируют друг друга (но при разных температурах компенсация не полная, и ток во внешней цепи есть). Так вот градиентное магнитное поле, похоже, способно нарушать это равновесие. Электроны, вылетающие с электрода, который должен принимать дрейфующие электроны, разворачиваются магнитным полем обратно на этот электрод. А электроны, вылетающие с другого электрода, тоже разворачиваются магнитным полем, но обратно на электрод не попадают, потому что за этот полуоборот они отходят от электрода и далее совершают дрейф к другому электроду. Вот это, как я представляю, должно работать. Но энергия и ЭДС идёт не от частиц внутри сосуда, а от электродов - при термоэлектронной эмиссии происходит охлаждение электрода. То есть оттуда же, откуда идёт энергия при работе этой схемы при разной температуре электродов. Но уже без разницы температур, что интересно. Но всё-таки хорошо бы просимулировать это в качественном физическом симуляторе. А ещё лучше эксперимент в натуре.
@@smartguym.2260 Странно, не понятно, почему вы считаете, что "градиентное магнитное поле не может использовать тепловое движение заряженных частиц, чтобы создать ЭДС, способную создавать ток во внешней цепи".
Я вот такой эксперимент делал: ruclips.net/video/C8NUR5K3J38/видео.html
Тут конечно не тепловое движение, а ионизация в ВЧ-поле катушки Теслы, но ЭДС во внешней цепи возникает и микроамперметр реагирует. Наверное если бы можно было как-то сделать стабильный ионизированный газ, то можно было бы обойтись без ВЧ-поля.
Вот ещё один эксперимент: ruclips.net/video/afQW8FT02DM/видео.html
Тут тоже ВЧ-поле создаёт переменный ток в плазме. (так как ток переменный, то этот эффект невозможно объяснить обычной униполярной индукцией, так что тут плазму раскручивает именно градиентное МП). Думаю, если такую чашку "разомкнуть" и поставить нагрузку в разрыв, то в ней должен потечь ток.
И ещё, есть такое явление - называется "кольцевой ток" - это ток, текущий в космосе вокруг Земли параллельно экватору, с востока на запад (в интернете я нигде не нашёл объяснения, почему течёт этот ток). Если магнитное поле Земли убывает с увеличением расстояния и на северном географическом полюсе - южный магнитный, то направление тока с востока на запад как раз соответствует этому правилу с градиентным магнитным полем.
Ну и напоследок - arxiv.org/ftp/physics/papers/0509/0509111.pdf
вот эксперимент по прямому преобразованию теплового движения электронов в ток во внешней цепи градиентным МП (ток микроскопический конечно, но всё же)
Очень интересно, спасибо!
Как же это всё интересно! Жаль, что не хватает времени и сообразительности понимать всё, что тут объясняется)
Круто закрученно) Все просто на пальцах, что же Вас так мало в школах?
Отличное видео, очень интересно
Здорово 👍. Спасибо
кроме движения в скрещенных полях, к этому же относится и движение на вращающемся седле (и даже эм-левитроны и маятник Капицы)
Крутая аналогия.
Прямолинейное движение шарика возможно, но тогда импульс, который задаёт это движение (или дополнительная сила, постоянно приложенная к шарику на вращающемся столике) должен быть мощнее суммарного влияния сил, создающих дрейф. Для этого можно сильно пнуть лёгкий шарик на старте, либо взять тяжелый шар, чтобы помогла гравитация.
Эксцентриковая шлиф-машинка с регулятором оборотов вам поможет в продвижении шарика по линии.
Благодарю вас теперь я знаю почему скорость замедляется когда я поднимаюсь к склонам на велосипеде это всё сила тяжести которая замедляет скорость, я долго найти ответ но вы это объяснили спасибо вам 🎉👍
и да забыл про ответ нет не может потому что на него подействует сила електрического поля и он будет создавать дрейфы и поперки .
Есть ещё одно явление такого же характера.
При распространении периодической волны по горизонтальной поверхности жидкости, частички жидкости совершают циклические движения. Это не окружности, как пишут классичсекие учебники, включая Ландау и Сивухина, а именно петли. Из-за затухания движения с глубиной, верхняя часть петли оказывается больше нижней. Поэтому за один период частичка жидкости несколько смещается в направлении распространения волны. Поплавок на волнах не только качается, но и дрейфует в направлении распространения волны. Явление называется "Дрейф Стокса". Извстно уже больше 150 лет как. См. например ruclips.net/video/uOJZywUykfw/видео.html
Почему-то обсуждается только в англоязычном сегменте всемирной сети.
По заключительному вопросу:
Если в истории про частицу в скрещенных полях придать ей начальную скорость в направлении вниз (направления Е и В как у вас на рисунке) такую, что vB=E, общая ЭМ сила будет равна 0, и частица будет двигаться равномерно и прямолинейно.
Я думаю, аналогично и в опыте с шариком на столике: надо сразу запускать его в направлении дрейфа с определенной скоростью. Правда, я пока не понимаю, как ее найти и почему силы скомпенсируются.
Попытка найти нужную скорость v.
Пусть вначале столик не наклонен. Запускаем шарик со скоростью v. Из теории следует, что он будет двигаться по окружности с угловой скоростью Q (это типа омега со звездочкой). Центростремительное ускорение равно vQ, его создает сила сцепления, тогда она равна mvQ. Теперь наклоним столик. Если скорость равна искомой, направленная вдоль уклона компонента силы тяжести компенсирует силу сцепления.
mvQ=mg', где g' - проекция g на направление уклона.
Тогда v=g'/Q.
@@user-by5hi8uj6o вы в рассуждениях опираетесь на то, что если шарик с данной скоростью едет, то сила сцепления из неё однозначно выводится, но это не так. Если он с этой же скоростью по другой траектории поедет, то его момент импульса будет меняться по-другому, для этого нужно прилагать другую силу сцепления в точке касания (g никакого момента не создаёт). Ну и если честно посчитать, ответ на множитель (1+I/(mr^2)) отличается вроде.
@@aleksandr_berdnikov А по какой другой траектории он может поехать?
@@aleksandr_berdnikovКстати, если опираться на пример с заряженной частицей, роль силы сцепления играет магнитная сила. И она зависит только от скорости и всегда перпендикулярна ей.
@@user-by5hi8uj6o в выводе у вас шарик едет по окружности с радиусом v/Q, а применяете к ситуации где он едет по прямой. Другая траектория, другое угловое ускорение, другая сила сцепления.
А теперь небольшой "довесок" к вращающейся платформе:
Возьмите круглый диск (можно CD, DVD), заклейте отверстие плотной бумагой и точно по центру проткните отверстие, можно шариковой ручкой.
Теперь наденьте диск на эту ручку, держа всю "конструкцию" в левой руке.
Сам опыт:
Подуйте сверху вниз, ближе к себе, на диск. Он наклонился прямо к вам, точно в противоположную сторону от "ветра", вниз.
А теперь раскрутите диск правой рукой и подуйте ещё раз.
Теперь диск наклонится не перед вами, вниз, против "ветра", а справа и вниз, под углом 90°.
То же бывает с велосипедным колесом, раскрученном в ваших руках: при попытке повернуть его вправо/влево оно "выскальзывает", заваливаясь в сторону под углом 90° с такой огромной силой, что удержать его в руках просто невозможно.
Теперь можете представить себе, какую огромную нагрузку испытывают подшипники в конусах, когда при езде мы крутим переднюю вилку велосипеда... На автомобиле аналогично.
первое явление используется в автоматах перекоса вертолета, например, где на лопасти нужно воздействовать с определенным углом опережения.
ну второе по сути то же. но лучше привязать его к жарким спорам о существовании контрруления отдельно от "просторуления"
Сижу и не могу связать концы с концами. Как из объяснения 6:57 следует, что частица должна дрейфовать в скрещенных полях именно ВНИЗ, а не куда-нибудь ВНИЗ и ВПРАВО? Мои рассуждения привели к следующему. Пусть частица дрейфует ещё и вправо. Тогда в среднем электрическое поле совершает работу, а частица ускоряется в направлении вправо. Тогда и составляющая силы Лоренца в направлении вниз будет в среднем не нуль, то есть сила Лоренца тоже будет совершать работу, а вот этого уже не может быть. Как можно ещё проще рассуждать? Помогите :)
Из простых уравнений движения сразу ясно, что дрейф идёт именно вниз. Однако уравнения не греют душу так, как простое качественное объяснение :)
Еще не посмотрел ролик, но ,судя по названию, будет брейкданс :)
вот она магия)
Получается, что если взять ионизированный газ и поместить его во взаимно-перпендикулярные электрическое и магнитное поля, то все частицы в газе начнут дрейфовать в направлении, перпендикулярном обоим полям? Значит тепловая энергия газа частично перейдёт в кинетическую энергию его упорядоченного движения?
Возможно и еще как.
Для этого необходимо придать скорость значительно превышающую вращение диска.
Слегка вверх его толкнуть, чтобы сдвинуть траекторию на диаметр диска?
Разберите плиз, почему когда бутылку с водой потрясти, в ней создаётся избыточное давление.
Скорее всего из жидкости высвобождается растворенный в ней воздух и за счет этого увеличивается давление
температуру ещё бы выровнять. А то налил воду, она теплее воздуха. Закрыл, взболтал - воздух нагрелся и поддавил)
Слишком много неизвестных условий
А точно ли создается? Если вода не газированная, комнатной температуры, бутылка тоже комнатной температуры, то от тряски не должно подниматься давление. Если не нагревать рукой бутылку, конечно же
скорей всего, общее давление на стенки бутылки то же самое, а разница только в том, что газ, не распределённый в объёме воды, давит на собственно бутылку и крышку-пробку, отчего та вылетает.
А оно там не создается. Либо жидкость волшебная.
Думая да, по прямой будет движение если синхронизировать вращение шара с вращением платформы.
Между прочим, заряженная частица в скрещенных электрическом и магнитном полях, независимо от знака заряда, движется в сторону вектора Умова-Пойнтинга. А этот вектор определяет направление переноса энергии. Какая же энергия переносится вместе с этими частицами, и даже без них? Вот в чём вопрос. И ведь действительно, каждая частица переносит энергию. Например, электрон, вылетевший с катода при термоэлектронной эмиссии, несёт в себе работу выхода электрона из катода. И переносит её в сторону дрейфа, по направлению вектора Умова-Пойнтинга. Это ж можно использовать. Вот это интересно.
6:26 Откуда взялась эта формула? Я такой не помню для вращательного движения.
При скорости шарика много больше частоте вращения диска и проскальзывании шарика движение будет близко к прямолинейному:)
Если ослабнет натяжение ремня между двух шкивов разного диаметра без нагрузки то кокой из шкивов будет пробуксовывать под ремнём?Ведомым или ведущим шкивы будут поочереди изменится ли что-то от этого?Может ли шкив большего диаметра будучи ведущим протянуть не натянутый ремень так что бы ремень стал буксовать на маленьком,ведомом шкиве без нагрузки?
захотелось поэкспериментировать =)
Вспомнился датчик Холла.
Следует увеличить наклон или подтолкнуть шарик вниз
Эх, где вы, древние времена ПСП-2 ...
Вы сказали «скрещенные электрическое и магнитное поля», а нарисовали на схеме сонаправленные.
Чем больше скорость вверх, тем больше петли, если же придать скорость вниз, то петли будут меньше, теоретически и до движения по монотонной траектории. Но тут двойное дно: будет ли такая траектория устойчивой? Не знаю как исследовать на устойчивость без применения вышей математики.
Ох, у Алексея красивейшая рубашка!
жаль нет рубашек с теми орнаментами, что мы видим теперь на канале о математике
Повторяет Пола Шиллито
И зря вы зарубили вертикальные ветрогенераторы, ведь при вихревом потоке, сила передаётся на все лопасти одновременно, как и у горизонтального, без парусности.
Вопрос не в тему. Если заполнить стеклянную бутылку на половину водой и ударить по горлышку, то у неё выбивает днище. Почему так происходит?
Отрыв жидкости от дна, далее схлопывание этих пустот с гидроударом (кавитацией). Куча видео есть.
если шарик пронзить карандашом, то таким методом конструктор может объяснить волчку и то, что волчку следует двигаться устойчиво, асимптотически стремясь к нерабалтывающейся траектории, даже по разболтанному патефону
Да. А ещё интереснее весь шарик окунуть в жидкую краску и, пока не высохла, запустить на эту платформу... Не с целью, какой будет след (он и так виден), а с целью посмотреть, как "обдерётся" краска на самом шарике.
@@space1r, небезинтересно получать и зарплату и премию (в котируемой монете)
Ну это уже магия какая-то!
Вот это интрага?
А как же пробуксовка
Чтобы траектория была прямой надо компенсировать вращение диска аналогичным вращением шарика в противоположную сторону. Скорей всего это будет шарик большего диаметра, либо большей массы, либо сильнее закрученный. Второй путь -- остановить диск и прокатить шарик по диаметру. Простенько и со вкусом. )))) СПАСИБО!!!!!!!!!!!!! 🙂
Инженерное мышление:)
Нужно предварительно раскрутить шарик
Сравните мыло новое и б/у пенооброзование😊
Вот не по теме ролика, но уже несколько лет имею тот же вопрос 😂
Всё это напоминает нутацию гироскопа.
Добрый день.
Уважаемые физики.
Не могли бы разобрать и обьяснить эффект удержания шарика в струе.
Как в этом ролике.
ruclips.net/video/cy6hojBwLSE/видео.htmlfeature=shared
Спасибо
🤦♂Опять... В ролике о круговом движении шарика по вращающемуся диску вы даже отметили, что если направление вектора силы F не совпадает с направлением вектора окружной скорости диска в точке касания, то ось вращения шарика будет процессировать, но при выводе формул этот факт просто проигнорировали. Все применённые формулы относятся не к шарику а к некоему странному телу ось вращения которого всегда параллельна своему начальному положению. Гироскопические силы на него не действуют!
Может быть, вы найдёте время статьи почитать и с математикой разобраться?
@@schetnikov Разбираясь с математикой которую вы применили я увидел, что явно присутствующее явление - постоянное , сложное изменение направления оси вращения шарика никак не описано. Почитать статьи о том что это допустимо игнорировать, вы не шутите?
@@psv62 Движение центар шарика от этого изменения оси не зависит совсем. Проверьте уравнения, и вы это увидите.
@@schetnikov Этому заявлению сильно удивятся снукеристы 😯 При наклоне оси вращения шарика относительно плоскости вращения диска меняется величина r шарика, а вектор V окружной скорости шарика в точке контакта с диском перестаёт совпадать с вектором окружной скорости диска, значит их скалярные величины станут отличаться. Причём r и V будут меняться постоянно и взаимосвязано, представляете сколько добавляется переменных величин!
Видимо нужно сделать уклон столика в противоположную сторону так чтобы сила тяжести "компенсировала" вращение диска. Однако тогда не будет дрейфа в сторону, для его получения предлагаю придать шарику начальную скорость по диагонали.
А вот ещё антиинтуитивный опыт отражений (отскоков) мячика от стенки! ruclips.net/video/g_VxOIlg7q8/видео.htmlsi=7B15Ri9RLp29tAa-
Опыт не достверный могли бы и на шарик нанести контрольные точки для определения вращения
Не мешало бы разобрать еще и униполярную машину Фарадея. Возможно есть что то общее.
Ответ на вопрос -- "нет" (в изложенной парадигме).
Нулевая кривизна петель -- нулевой дрейф.