Турнир физиков в МФТИ

Определить температуру жидкости по звуку, с которым она льётся в чашку, изготовить аудио-динамик без движущихся частей, создать акустическую чёрную дыру, поджечь дым – вот примеры задач, которые стояли перед участниками Всероссийского студенческого турнира физиков, прошедшего в МФТИ 12 декабря 2017 года.

Полностью задачи, которые решали студенты на турнире, вы можете посмотреть по этой ссылке. Вот одна из них: «Изготовьте аудио-динамик без движущихся частей. Исследуйте, каковы максимальная ширина полосы пропускания сигнала, отношение сигнал-шум и энергоэффективность, достижимые вашей конструкцией. Можно ли модифицировать ваше устройство, чтобы использовать его как микрофон?»

В принципе, задача не блещет новизной. Такой фокус, как «Поющая дуга» – первый в мире электронный музыкальный инструмент, британский физик и изобретатель Вильям Даддел, продемонстрировал еще в 1899 году. С тех пор ионофон – прибор, в котором звук генерируется колебанием плазменной дуги в воздухе, – создавался радиолюбителями в сотнях вариантах. Что, впрочем, не исключает возможности проявления особой инженерной смекалки при создании новых моделей. К примеру, студенты из Воронежского государственного технического университета собрали ионофон, который не только мог передавать членораздельную речь, но и работал как микрофон. А вот прибор, который создали для решения этой задачи студенты МФТИ, увы, оказался способен лишь издавать звуки. Впрочем, выступление воронежцев тоже оказалось не идеальным: в теоретической части они ограничились лишь радиоэлектроникой, а физику явления не обсуждали вовсе, поэтому, наверное, и заняли на турнире предпоследнее место.

Не отличились студенты МФТИ и при решении такой задачи, как создание «детектора частиц для чайников» – самодельного детектора космических лучей. Они сделали его из найденных на свалке деталей счетчика Гейгера, что остроумным решением можно назвать с большой натяжкой. А вот студенты из МГУ соорудили детектор из двух дисков компьютерного «винчестера», однако продемонстрировали откровенную физическую неграмотность, поскольку даже не догадались протестировать свой прибор на улице. Им как будто не было известно, что стены зданий экранируют космические лучи. В итоге ребята из МГУ заняли на турнире 4-е место, пропустив вперед в том числе и две команды МФТИ. Впрочем, аргументация последних также особого впечатления не произвела: ребята больше размахивали руками, чем демонстрировали умение эти руки к чему-то приложить.

Этот недостаток был заметен при решении, к примеру, следующей задачи: «Акустической чёрной дырой называется явление, когда звук не способен выйти из области пространства, не ограниченной стенами, также как в случае обычной чёрной дыры свет не может выйти из области пространства-времени. Попробуйте создать свою собственную акустическую чёрную дыру».

Решение физтехов не произвело сильного впечатления. Начать с того, что в качестве горизонта событий для своей черной дыры они предложили взять скачок уплотнения, возникающий в сверхзвуковом потоке. Авторы этой гипотезы утверждали, что звуковые колебания не смогут преодолеть эту преграду, однако какого-то обоснования для этого предположения не представили. Не удалось им отличиться и в плане практического подтверждения своей правоты. Ограничились студенты тем, что показали сделанную шлирен-методом в аэродинамической трубе картинку, где колебания воздуха внутри области, ограниченной сверхзвуковыми скачками, отсутствуют. При этом им почему-то не пришло в голову сделать замеры при отсутствии сверхзвуковой струи. Казалось бы, чего понятнее: появился скачок – и звуковые волны за ним пропали, нет скачка – и акустические колебания свободно распространяются. В итоге получилось доказательство в стиле Марка Твена, который в ответ на утверждения археологов о том, что в Древнем Египте существовал телеграф, поскольку при раскопках они обнаружили проволоку, заявил, что у индейцев Дакоты, следовательно, был беспроволочный телеграф, потому что у них проволоки обнаружено не было.

Впрочем, не только физтехи попадали впросак. Была, к примеру, среди задач и такая: «Отделите белки от желтка и наберите в шприц. Выпустите белковую массу в нагретое масло, одновременно перемещая шприц. Как зависит размер получившихся «жемчужин» от различных параметров процесса, таких как температура масла, скорость истечения белка и скорость движения шприца, диаметр отверстия шприца и неньютоновские свойства яичного белка?»

Студенты из Архангельска, демонстрируя свое кулинарное искусство, не сумели даже правильно понять условия задачи и принялись капать белком из шприца с высоты вместо того, чтобы вводить его прямо в горячее масло. Но более всего ужаснула обработка результатов: погрешность у них вышла с тремя значащими цифрами, а итоговые формулы получились неверными даже по размерности.

В итоге самой адекватной оказалась команда Воронежского государственного университета, решавшая следующую задачу: «Только что затухшую свечу можно зажечь заново, если поджечь её дым, так как пары воска в дыме являются основным топливом для горения свечи. Каково максимальное расстояние (между спичкой и свечкой) повторного зажигания свечи? Определите существенные параметры процесса и их влияние на это максимальное расстояние».

Воронежцы прекрасно справились с экспериментом, создали разумную модель происходящего и заслужено заняли 1-е место на турнире. Однако подробности своих исследований они просили не публиковать. Дело в том, что соревнования для них с окончанием турнира в Долгопрудном не заканчиваются и свое решение им до поры до времени надо держать в секрете. Чтобы объяснить, почему, расскажем, кто и для чего эти задачи придумывает.

Их составляют всем миром в буквальном смысле этого слова. Эти головоломки входят в конкурсное задание Международного турнира физиков, а отбирает их комитет из 160 экспертов, представляющих 20 стран. Сначала формируется длинный список из 220 проблем, которые присылают организаторам турнира энтузиасты со всех континентов. Затем путем голосования из них отбирается 17 самых интересных задач. Решения некоторых из них известны, но в большинстве случаев физические явления, которые лежат в их основе, столь сложны, что «списать» ответ просто неоткуда. Где-то к концу лета задачи выкладываются на всеобщее обозрение и у студентов, желающих принять участие в турнире, есть полгода, чтобы как следует подготовиться к «экзамену». К решению можно прийти самыми разными путями, а оценивается в том числе и глубина понимания физического явления, вокруг которого построена задача. Кроме того, одних теоретических знаний для победы недостаточно. Нужно еще и провести эксперимент, создать необходимое оборудование, проявить инженерную смекалку и умение работать руками, а не только головой.

Казалось бы, тут физтехам и паяльник в руки, но в финале прошлого, 9-го Международного турнира физиков, который прошел в апреле 2017 года в Гётеборге, победили студенты… Харьковского государственного университета. Россия же заняла 5-е место силами команды Воронежского государственного университета, а команда МФТИ, также представлявшая нашу страну на турнире, оказалась лишь на 9-м месте. Вот и в октябре на Всероссийском турнире в Долгопрудном, в котором приняли участие восемь команд из различных вузов страны, 1-е место заняли вовсе не физтехи, а команда все того же Воронежского государственного университета.

Мы рады за ребят из Воронежа, но если бы физтехам образца 1980-х годов кто-то сказал, что студенты провинциального вуза знают физику – как теоретически, так и практически – лучше, чем студенты МФТИ, то они лишь снисходительно улыбнулись бы этой шутке. А сегодня даже доли шутки в этой истине уже не наблюдается.

Состоявшийся в декабре Всероссийский турнир – это, в сущности, национальное отборочное соревнование к 10-му Международному турниру физиков, который, между прочим, пройдет в апреле 2018 года в стенах МФТИ. Две лучшие российские команды – ВГУ и МФТИ – будут защищать физическую честь страны. Да помогут им стены!