XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Левитация: волшебство или наука

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Палкин Р.А. 1

---

1МБОУ СОШ №36

Сметанина Е.В. 1

---

1МБОУ СОШ №36

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Раньше то, что люди не могли объяснить, воспринимали как волшебство. Например: гром и молнию считали гневом Богов, а радугу – мостом между небом и землей. Сегодня уже доказано, что это природные явления, которые подчиняются законам физики. Вот и я в детском саду считал, что летающий поезд (Маглев) – это волшебство. Однако, глядя на окружающий мир, предположил, что движение Маглева подчиняется законам физики и решил это проверить опытным путем.

Актуальность: при знакомстве с принципом работы этого вида транспорта встретился с таким понятием как левитация. Это явление мне стало интересно, поэтому решил расширить свои знания в области физики.

Цель работы: создание левитации опытным путем в бытовых условиях, доказывая, что это не волшебство, а применение законов физики.

Задачи работы:

• найти и изучить информацию о понятиях: левитация, магнит, их виды и свойства;

• изучить строение и передвижение магнитно-левитирующего поезда;

• собрать и представить действующий макет на основе магнитной левитации «Парящая ручка».

Чтобы решить поставленные перед собой задачи, провел поиск информации по данной теме, используя научно – познавательную литературу, источники Интернета.

При поиске ответов на вопрос «Левитация: волшебство или наука?» я прикоснулся к некоторым областям физики, познакомился с понятием эксперимент (опыт), что вызвало большой интерес и желание продолжить освоение этой науки.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Глава I. Левитация – волшебство или наука?

Из фантастической литературы и кино мы встречались с моментами, где наблюдали зависание предметов в воздухе. Например, в книге о Гарри Потере магам достаточно было взмахнуть волшебной палочкой и произнести заклинание, как предмет моментально поднимался в воздух. Тоже самое происходит в советском мультфильме «Летучий корабль». Такое явление в физике называется левитацией.

Что такое левитация?

Левитация (от лат. levitas – «лёгкость, легковесность») – преодоление гравитации, при котором объект парит в пространстве, не касаясь поверхности твёрдой или жидкой опоры [4]. Источниками таких сил могут быть струи газа, лазерные лучи, акустические волны, магнитное и электрическое поле [3].

Левитацией не считается полёт, совершаемый за счёт отталкивания от воздуха. Например: полет насекомых, птиц, воздушных шаров, так как объект преодолевает собственную силу притяжения.

Чтобы заставить предмет левитировать, нужно сделать две вещи. Во-первых, создать силу, направленную вертикально вверх, чтобы предмет не упал под действием земного тяготения. Во-вторых, надо позаботиться о том, чтобы зависший в воздухе предмет находился в устойчивом равновесии, то есть самостоятельно возвращался в свое первоначальное положение после того, как его покой потревожат. Природа обеих сил не должна быть механической – иначе вся левитация свелась бы к тому, чтобы положить предмет на твердую опору или подвесить его. [9]

В цирке мы видели номера иллюзионистов, которые демонстрировали парение предметов. Для зрителя это кажется магией. Однако уже доказано, что артисты используют техники, создающие видимость левитации за счет скрытых опор или нитей (пример: летающая трость факира).

Настоящая левитация бывает разных видов:

- аэродинамическая: предмет парит за счет подъемной силы струи воздуха. Этот вид левитации используется в транспорте на воздушной «подушке» (катера, проекты автомобилей) и даже в развлечениях (аэрохоккей);

- акустическая: предмет парит за счет ультразвуковых волн, создающих стоячую волну. Максимальный вес, который поднимали таким образом, не превышает нескольких граммов, причем звуковые волны могут находиться и вне слышимого диапазона;

- оптическая: предмет парит за счет светового давления. Мощный лазер может удерживать в воздухе частицу воды или масла диаметром порядка 50 микрометров. Это явление может найти практическое применение в сфере нанотехнологий.

- электростатическая: предмет парит за счет силы электрического поля (отталкивания одинаковых зарядов). Примером является удержание легкой полиэтиленовой пленки или кусочков пенопласта над электростатическим генератором;

- магнитная: предмет парит под воздействием магнитного поля. Этот процесс, нашёл применение в технологиях магнитно-левитационных поездов. [4]

Итак, левитация — это преодоление гравитации, при котором объект парит в пространстве, не касаясь какой-либо поверхности.

Глава II. Магнитная левитация

Когда я изучал виды железнодорожного транспорта, то открыл для себя такой вид поезда как Маглев (в переводе с английского языка «magnetic levitation train» означает «поезд на магнитной подушке»). [12,38] Глядя на него, создается ощущение, что состав зависает или парит в воздухе. (Приложение 1)

Данный эффект создается за счет магнитной левитации.

Магнитная левитация – это метод подъёма объекта с помощью магнитов.

2.1. Магнит и его свойства

Я выяснил, что магнит – это кусок железной руды или стали, обладающий свойством притягивать железные или стальные предметы. [10,270]

Магниты бывают естественными и искусственными.

Например, магнитный железняк, являются природным магнитом.

Со временем люди научились создавать и искусственные магниты. Так было установлено, что если стальную спицу положить на магнит, то она сама станет магнитом или, как говорят, намагнитится. Некоторое время спица будет оставаться в таком состоянии, сохраняя способность притягивать железные опилки, гвозди и др.

Я решил экспериментально это проверить. Взял два стержня одинакового размера – стальной и железный. Поместил их вблизи одного и того же магнита. В присутствии магнита стержни приобрели способность притягивать железные предметы, т.е. намагнитились. Убрал магнит. Железный стержень почти полностью размагнитился, а стальной сохранил значительную часть магнитных свойств. Так экспериментально подтвердил, что для изготовления искусственных магнитов используют сталь, а не железо. Магниты могут быть различной формы.

Узнал, что те места, вблизи которых обнаруживается наиболее сильное магнитное действие, называют полюсами магнита. Магнит имеет два полюса: северный магнитный (N) и южный магнитный (S).

Провел другой опыт. Два магнита приблизил друг к другу сначала одноименными, затем разноименными полюсами. В первом случае почувствовал отталкивание, а во втором – притяжение. Сделал вывод: магниты отталкиваются одноименными полюсами и притягиваются разноименными. В этом опыте заметил, что с уменьшением расстояния между полюсами магнитов сила их взаимодействия возрастает, а с увеличением расстояния сила уменьшается. (Приложение 2)

Из учебника по физике я узнал, что нельзя получить магнит с одним полюсам. Так, если взять обычный магнит и разрезать его посередине, то получится два магнита с двумя полюсами (северным и южным) у каждого.

Интересно, что планета Земля является гигантским магнитом. Именно поэтому, если рядом нет других магнитов, стрелка компаса поворачивается и устанавливается в направлении север-юг. [11,183-185]

Я узнал, что экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Они-то и создают так называемое магнитное поле.

Магнитное поле является более сильным на краях магнита, а в его середине практически равна нулю за счет концентрации магнитных силовых линий. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу, они замкнуты, непрерывны, не пересекаются между собой и не поддаются силам гравитации.

В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электрические токи также обладают магнитными свойствами. Это означает, что перемещение магнита будет влиять на электрический ток, заставляя его изгибаться. Это показало, как электричество и магнетизм связаны, и изучение их вместе привело ко многим другим научным открытиям.

Максвелл показал, что мы можем заменить любой магнит электрическим током: это называется электромагнитом. Вместо того, чтобы двигать электромагнит, мы можем просто включать и выключать электрический ток или изменять его интенсивность со временем. [2,28]

Вместе с дедушкой мы создали электромагнит из подручных средств. Он состоит из обмотки, металлического сердечники и элемента питания (батарейки). (Приложение 2)

2.2. Маглев – поезд на магнитной подушке

На основе этих законов физики работает Маглев – поезд на магнитной подушке. Этот вид транспорта без колес, едет благодаря притяжению и отталкиванию электромагнитов, встроенных в рельсы и в сам поезд. Электромагниты попеременно располагаются вдоль пути. Они притягивают и отталкивают магниты поезда, что заставляет его двигаться (Приложение 1). Благодаря этому поезд не едет, а плывет по рельсам всего в нескольких сантиметрах над путями. Это и есть магнитная левитация, которая устраняет любое трение, а единственной тормозящей силой является сопротивление воздуха. [8,98]

У Маглева богатое прошлое. Первые магнитно-левитирующие поезда появились не в азиатских странах, а в европейских - в Германии и Великобритании. В этих государствах данные проекты разрабатывались и вводились в эксплуатацию в восьмидесятых годах двадцатого столетия. Однако, просуществовали недолго, буквально пару десятилетий, так как первые проекты не отличались большой проработанностью и удобством. Модернизировать такой вид транспорта не стали, данный проект закрыли.

Так же существовали попытки реализовать проекты Маглева и в Советском Союзе. Первые разработки были начаты ещё в 1977 году. Пару лет спустя в городе Раменском Московской области построили экспериментальный опытный участок для ходовых испытаний вагонов на магнитной подушке в виде эстакады, длина которой составляла чуть менее километра. Более известный проект Маглева пытались реализовать в Армении, для связи Еревана и Севана. За весь период испытаний было создано пять опытных образцов вагонов. Но из-за мощнейшего Спитакского землетрясения 1988 года и Карабахского военного конфликта работу над этим проектом полностью остановили и больше не возвратились [1].

Первой в мире железнодорожной линией на магнитной подушке стал шанхайский Маглев в Китае (30 декабря 2002 год). Он преодолевал 30 км примерно за 7 минут и разгонялся до 431 км/ч [12,38].

На сегодняшний день самый быстрый поезд в мире – это японский Маглев «Синкансэн» (L0 Series Maglev), разогнавшийся во время испытаний до 603 км/ч. Это абсолютный мировой рекорд среди железнодорожных составов. Поезд курсирует между Токио и Нагоей, где преодолевает путь в 286 километров за 40 минут. [6,38]

Сейчас Маглевы эксплуатируются в Китае, Японии, Южной Корее и Германии. [13]

У Маглева, как у новинки, много поклонников. Парящий поезд сам по себе очень впечатляет. Завораживает тем, что почти не касается рельсов.

Развитием магнитной левитации сейчас занимаются в Южной Корее, в Германии и в США. Не исключено, что по-настоящему востребован он будет уже во второй половине XXI века, когда спрос на быстрое передвижение и на экономию электричества проявится отчетливее, а технические решения будут стоить дешевле.

Надеюсь, что в скором будущем применение Маглевов в пассажирском транспорте – как в Японии и Китае – станет обычным делом. А пока что желающим прокатиться на «поезде будущего» придется ехать в Азию.

В нашей стране петербургские ученые разрабатывают эту технологию с 2010-х годов [5].

Я хотел бы стоять у истоков внедрения Маглевов в России.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Создание магнитной левитации в бытовых условиях

Изучая теорию, я понял, что такое магнитная левитация. У меня возник вопрос: можно ли в домашних условиях самому создать эффект парения предмета. С этой целью, мы с родителями, нашли конструктор из серии «Seller and Buyer» (интересные науки, технологии, инженерия и математика) деревянные 3D-пазлы. Он содержит в себе 3 сборки моделей: «Ролик Гука», «Маятник Ньютона», «Парящая ручка на магнитах». Именно третья модель позволяет в домашних условиях продемонстрировать левитацию.

Парящая ручка на магнитах

Конструктор состоит из следующего набора деталей:

Таблица 1

№	Название детали	Кол-во деталей
1	Площадка для сборки макета	1 шт.
2	Упор для ручки	2 шт.
3	Направляющие для магнитов	4 шт.
4	Магниты цельные	4 шт.
5	Крепления для магнитов	4 шт.
6	Винты крепёжные	6 шт.
7	Магниты с отверстием в центре	2 шт.
8	Ручка с наконечником	1 шт.
9	Шайбы резиновые регулирующие	4 шт.

Ход сборки:

1. Установить в прорезь на площадке упор для ручки в виде головы медвежонка и закрепить двумя винтами с обратной стороны площадки.

2. Установить в прорези по бокам площадки 4 крепления для магнитов.

3. Установить 4 цельных магнита в отверстия у креплений, зафиксировать их при помощи двух направляющих и закрепить винтами сверху.

На этом этапе сборки необходимо обратить внимание, чтобы два магнита располагались друг к другу одинаковыми полюсами, что создает отталкивающую силу.

4. Сбираем ручку на магнитах: надеваем две резиновые шайбы с разных концов ручки на стержень. Затем устанавливаем магниты с отверстиями около резиновых шайб, прижимая магниты двумя другими резиновыми шайбами.Получается, что резиновые шайбы фиксируют магниты на ручке с двух сторон.

На этом этапе сборки необходимо обратить внимание, что при касании кончиком ручки деревянной доски в форме медведя, два магнита, надетые на ручку, должны быть размещены так, чтобы находились точно над магнитами, прикрепленными к площадке.

Сборка модели завершена. Ручка должна, как по волшебству, зависнуть в воздухе! Если стержень ручки не парит и смещается в какую-то сторону, то нужно обратить внимание на важный пункт из инструкции: «если кончик ручки касается деревянной доски в форме головы медвежонка, два кольцевых магнита на стержне ручки нужно расположить строго над магнитами в основании, иначе стержень будет смещаться».

У меня получилось не с первого раза, приходилось поправлять магниты, что бы получить эффект левитации. (Приложение 3)

Итак, ручка работает благодаря свойствам магнитов: «одинаковые полюса отталкиваются, разные – притягиваются».

Круглые магниты установлены положительными полюсами на площадке.

На ручке кольцевые магниты также установлены положительными полюсами строго над круглыми магнитами. Деревянная дощечка в виде медведя играет роль упора для ручки, чтобы выравнивать нахождение магнитов на площадке строго под магнитами на ручке. При расположении этих магнитов друг над другом и дает эффект левитации (ручка парит).

При сборке данного макета у меня возникли сложности при работе с мелкими деталями.

Самое сложное в магнитной левитации – заставить предмет быть устойчивым в магнитном поле. Это очень четкий и кропотливый этап работы.

Я сделал вывод, что необходимо строго следовать инструкции и обязательно учитывать обозначенные нюансы при сборке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спустя века человечество шагнуло далеко вперед и с помощью науки может объяснить практически любое явление, а если не может, то понимает, что стоит на пороге новых открытий. Изучение физики — это способ раскрыть «фокусы» окружающего мира и понять, что все явления подчиняются строгим законам. Соприкоснувшись с этой наукой при изучении данной темы, я понял на сколько она интересна и с нетерпением жду, когда начну изучать ее в школе.

В ходе работы познакомился с левитацией и ее видами. Более подробно остановился на магнитах и их свойствах. В бытовых условиях смог создать магнитную левитацию.

Это явление активно применяется в повседневной жизни, например в магнитно-левитирующих поездах – Маглевах, которые не только быстрее, надежнее и комфортабельнее обычных поездов, но и безопаснее для окружающей среды. Маглевы – это ближайшее будущее в нашей жизни. Я бы хотел стоять у истоков развития парящего поезда в России.

Уверен, что левитация может внести большой вклад в сохранение окружающей среды и поиск путей экономии ценных природных ресурсов.

Таким образом, понял, что левитация во многом походит на волшебство, но основа ее строится на законах физики. Если не знаешь физику, все кажется магией!

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Novate //10 занимательных фактов о Маглеве https://novate.ru/blogs/140822/63825

2. Алтарриба Э. Как всё работает? – М.: «АСТ», 2020.

3. Бебенина О. // Левитация с точки зрения науки. https://www.sb.by/articles/polety-vo-sne-i-nayavu-02022018.html?ysclid=mm1jq5ufbl830452804

4. ВикипедиЯ // Левитация. https://ru.wikipedia.org/wiki/Левитация

5. Доильницына Е. // Зеленая молния: магнитоплан — самый быстрый и экологичный поезд будущего https://sher.media/zelenaya-molniya-magnitoplan-samyj-bystryj-i-ekologichnyj-poezd-budushhego/

6. Ерофена Н.В. Энциклопедия с развивающими заданиями ПОЕЗДА – М.: «СИМБАТ», 2021.

7. Имаджэри Г. Всё обо всем в цветных картинках ПОЕЗДА – М.: «Колос-с», 2019.

8. Лебом Ж., Лебом. К. Как это работает – М.: «АСТ», 2023.

9. Мартыненко Н. // Левитация для маглов. Как подвесить что-нибудь в воздухе, если вы физик, а не волшебник. https://nplus1.ru/material/2021/02/26/levitation?ysclid=mm1mh5qxz8126125336

10. Ожегов С.И. Словарь русского языка – М.: «Русский язык», 1989.

11. Перышкин И.М., Иванов А.И. Физика 8 класс, базовый уровень, учебник – М.: «Просвещение», 2024.

12. Тернбулл С. Детская энциклопедия Поезда – М.: «РОСМЭН», 2018.

13. ТрансФото // Городской электротранспорт https://transphoto.org/networks.php?t=8

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1

Маглев и его принцип работы

Приложение 2

Опыты с магнитами

М агниты и их свойства

З ависание одного магнита над другим

С оздание искусственного магнита

Создание электромагнита в домашних условиях

Приложение 3

Макет на основе магнитной левитации «Парящая ручка».