Блог

Aug 09, 2023

Почему магнит не может

Ретт Аллен В Интернете давно циркулирует мем, который по сути представляет собой

Ретт Аллен

В Интернете давно ходит мем, который по сути представляет собой вопрос: будет ли работать автомобиль с магнитным приводом? (Вот его версия опубликована на Reddit.) Это очень простой рисунок пикапа с толстой металлической пластиной, прикрепленной спереди. Стрела крана проходит из задней части грузовика над кабиной и удерживает сильный магнит перед автомобилем. Теория заключается в том, что магнит притянет пластину и потянет грузовик вперед, по сути создавая вечное движение без необходимости использования топлива.

Вот моя версия этого рисунка:

Хорошо, вы, наверное, уже догадались, что это не сработает. (Я имею в виду, что если бы это было так, мы бы уже разъезжали на наших бестопливных магнитных автомобилях, верно?) Но почему бы и нет? И есть ли способ заставить его работать?

Давайте перейдем к этому.

Мы постоянно используем силы для описания взаимодействий. Когда вы сидите на стуле, стул толкает вас вверх с некоторой силой, которая возникает из-за взаимодействия контактной силы между вашей ягодицей и сиденьем. Когда вы стоите на Земле, вас тянет вниз сила — гравитация. Если положить магнит рядом с куском железа, магнит притянет металл. Эта сила возникает из-за магнитного взаимодействия между ними.

Важно отметить, что все эти примеры представляют собой взаимодействия между двумя объектами. Без стула невозможно взаимодействие человека и стула. Это справедливо и для Земли, и для человека, и для магнита, и для металла.

Давайте посмотрим на взаимодействие между двумя общими объектами, A и B. Если объект A толкает объект B, то объект B также толкает объект A с той же силой силы, но в противоположном направлении. Мы часто называем это третьим законом Ньютона: для каждой силы существует равная и противоположная сила.

Вы действительно можете измерить эти равные и противоположные силы. Давайте поедем две тележки по гусенице с низким коэффициентом трения. Обе тележки имеют датчики силы, установленные сверху, и два датчика соединены между собой резиновой лентой.

Лорен Гуд

Лорен Гуд

Джулиан Чоккатту

Уилл Найт

Что произойдет, когда я разниму их? Правая тележка тянет левую. Левая тележка тянется назад с той же силой, но в противоположном направлении. (На самом деле, в этом случае также имеется резиновая лента, но, поскольку она имеет такую ​​малую массу, мы можем просто представить, что это какая-то фундаментальная сила, такая как гравитация или магнитная сила.)

Вот что считывают два датчика силы во время этого взаимодействия:

Благодаря третьему закону Ньютона оба датчика измеряют силу, которая практически одинакова.

Есть еще одно правило силы, которое нам нужно учитывать для нашего гипотетического автомобиля с магнитным приводом. Это второй закон Ньютона, который гласит, что результирующая сила, действующая на объект, меняет скорость этого объекта. Возможно, вы видели этот закон, выраженный в следующем уравнении:

Лорен Гуд

Лорен Гуд

Джулиан Чоккатту

Уилл Найт

В этом одномерном уравнении общая сила, или чистая сила, равна произведению массы объекта и его ускорения. (Существует и векторная версия, но не беспокойтесь об этом.)

Ускорение показывает, насколько быстро изменяется скорость объекта. Но если результирующая сила, действующая на объект, равна нулю, то ускорение также должно быть равно нулю. Если объект покоится с нулевым ускорением, то ему придется оставаться в покое. Это также важно для нашего грузовика с магнитным приводом.

Конечно, первый шаг в проверке того, сработает ли эта идея, — это просто опробовать реальную модель. Это довольно просто. Мне не нужна полноразмерная версия; Я могу просто использовать свои тележки с низким коэффициентом трения и магнитный кран в качестве замены. Вот что я построил:

Лорен Гуд

Лорен Гуд

Джулиан Чоккатту

Уилл Найт

Слева вы можете увидеть большой неодимовый магнит, прикрепленный к крану на базе Lego, который прикреплен к тележке с помощью скотча. На тот случай, если вы раньше не использовали эти вещи, они довольно мощные. К самой тележке прикреплен большой железный стержень. Между магнитом и утюгом действительно существует довольно сильная сила притяжения — ее более чем достаточно, чтобы прищемить палец, если вы не будете осторожны.