Как сделать молнию в домашних условиях. Шаровая молния - сделай сам. Эксперимент по созданию шаровой молнии
Эксперимент по созданию шаровой молнии.
Мы сообщаем об успешном экспериментальном создании шаровой молнии в открытом воздухе. Описание этого процесса было обнаружено в недавно опубликованных лабораторных тетрадях Н. Теслы за 1899 г. Представлен фотографический материал и проводится обсуждение экспериментальной техники. На основе анализа работ Б. М. Смирнова по аэрогельной (фрактальной) модели шаровой молнии сделан вывод, что его теоретическая модель дает описание, согласующееся с видом огненных шаров, которые создавал Тесла и которые мы наблюдали.
Введение. Точно следуя высокочастотной методике Николы Теслы, описание которой было обнаружено в его записях, мы в августе 1988 г. начали создавать в воздухе электрические огненные шары диаметром ~2 см. Работа Теслы была выполнена 89 годами ранее, летом 1899 г. и, как следует из открытой литературы, никогда не была повторена или проверена. Хотя создание огненных шаров повторялось в лаборатории, зафиксировано большим числом фотографий и видеозаписями, скрытая за их образованием и развитием физика была для нас в то время недостаточно ясна. Имея высоковольтную высокочастотную методику создания этого явления по желанию, мы не могли четко объяснить природу образования и эволюции огненных шаров, полученных этим способом.
В детальных, замечательных наблюдениях Теслы в 1899 г. было выдвинуто несколько гипотез о природе огненных шаров, но мы ощущали, что нужно нечто большее для ясного понимания явления, чем представления физики столетней давности. Любой прогресс в технике получения огненных шаров требует понимания, выраженного на языке самой современной физики. Несмотря на то, что мы были хорошо знакомы с трудами Капицы и большим числом публикаций по шаровой молнии западных ученых за последние 150 лет, тем не менее мы не использовали возможность проанализировать последние достижения советских исследователей.
Последние успехи советских ученых. В июне этого года нам стало известно о значительных успехах в создании теории шаровой молнии, результаты которой были опубликованы в советской научной печати. Большая часть последних советских работ содержит такое же число неудовлетворительных и странных абстрактных теоретизирований по шаровой молнии, как и работы, появляющиеся в западной научной литературе. Однако среди них есть ряд интересных публикаций, которые, как мы думаем, описывают метод Теслы для создания шаровой молнии с достаточной определенностью. Мы поместили их в список литературы под номерами. Этот прогресс был достигнут в первую очередь благодаря усилиям Б. М. Смирнова и его коллег из Института СО АН СССР в Новосибирске. С самого начала Смирнов осознал тщетность всех моделей шаровой молнии, которые не включали в себя внутренний источник химической энергии. Он также ясно представлял какую роль могут играть аэрозоли, аэрогели, нитевидные структуры, плазмохимия и горение частиц пыли. С появлением понятия фрактала и физики агрегации, ограниченной диффузией , Смирнов смог с конца 70-х и до середины 80-х годов сильно развить аэрогельную теоретическую модель, в которой активное вещество шаровой молнии представляет собой электрически заряженную структуру, состоящую из переплетенных субмикронных нитей, т. е. пористый фрактальный кластер с большой химической емкостью. Почти весь каркас такой аэрогельной структуры занят свободными порами.
Высвобождение энергии из химически заряженного фрактального кластера может быть описано многоступенчатым процессом горения. В качестве примера такого процесса Смирнов предлагает многоступенчатое горение фрактального кластера из древесно-угольной пыли в озоне, поглощенном самим кластером, как модельный процесс в шаровой молнии:
где α и β - константы скоростей наиболее медленных стадий процесса зависят от температуры, при которой происходит насыщение угля озоном и, согласно его расчетам, характерные значения времени достаточно велики. Горение древесного угля в адсорбированном озоне одновременно - интенсивный и медленный процесс тепловыделения. Предсказанные температуры и времена жизни согласуются с наблюдениями шаровой молнии. В этой модели цвет и свечение шаровой молнии создаются путем, подобным тому, как это происходит в пиротехнике благодаря присутствию светящихся компонентов состава. Указанная теоретическая модель Смирнова способна удовлетворительно объяснить разные свойства шаровой молнии.
Фрактальные явления и первопричина шаровой молнии. «Химическая история свечи» была источником удивления и восхищения с того времени, когда в середине XIX в. Фарадей выступил с Рождественскими лекциями в Королевском институте. Его известные беседы являются великолепным введением в основные принципы горения и доступны в современных изданиях . Именно Фарадей указал на главную роль частиц сажи и углерода в свечении пламени.
Современное развитие науки о кластерах углубило наше понимание процессов образования пыли, сажи, коллоидов и конденсированных аэрозолей. Изучение роста фракталов позволило по новому взглянуть на рост сажи при добавлении частиц углерода в процессе хаотической коагуляции.
Интересной во многих отношениях и, может быть, даже положившей начало новому направлению, связывающему фракталы и дым, была публикация результатов замечательного экспериментального исследования, проделанного Форрестом и Уиттеном. Они наблюдали сверхвысокодисперсные частицы дыма (диаметром порядка 80 А) и обнаружили, что частицы прилипают друг к другу и образуют цепочечные агрегаты. Их лабораторные эксперименты показали, что фрактальные структуры действительно образуются в течение нескольких десятков миллисекунд после теплового взрыва материалов.
Установка Форреста и Уиттена состояла из вольфрамовой нити с нанесенным на нее гальваническим способом железом или цинком. Нить быстро нагревалась при прохождении по ней короткого сильноточного импульса, нанесенный материал испарялся с нити и образовывал плотный газ (металлический пар), распространение которого в окружающую атмосферу было ограничено диффузией. Плотный газ состоял из более- менее однородных сферических частиц. Горячие частицы, быстро двигавшиеся от нагретой нити, останавливались из-за столкновений в окружающей среде и формировали сферический ореол на расстоянии порядка 1 см от нити. На этом расстоянии частицы начинали конденсироваться и слипаться, формируя агрегаты типа цепочек, которые затем оседали на предметном стекле электронного микроскопа. Последующее изучение конденсированной фазы показало, что она обладает фрактальными свойствами. (Анализируя это направление исследования, необходимо отметить и раннюю работу Бейшера, который показал, что дым окиси магния в дуговом разряде содержит цепочечные агрегаты, в то время как в дыме при отсутствии дуги из сверхвысокодисперсных частиц образуется просто плотный аэрозоль.)
Глубокая проницательность Смирнова состояла в том, чтобы осознать, что этот фрактальный кластер можно привлечь для объяснения структуры и свойств шаровой молнии. Ошеломляющим подтверждением представлений Смирнова и его коллег являются слова из его недавней работы : «Мы будем исходить из того, что шаровая молния имеет структуру фрактального кластера». Нет сомнений в том, что глубокие исследования Смирнова и его анализ дают наилучшее физическое объяснение шаровой молнии из имеющихся в современной науке.
Высокочастотная установка для создания шаровых молний. Существует много работ, посвященных описанию и анализу генератора Теслы» начиная с классической работы Обербека, вышедшей в 1895 г. . Однако, по нашему мнению, все из этих описаний основаны на ошибочной теоретической модели и оставляют желать лучшего с технической точки зрения. (Так, они рассматривают установку как сосредоточенную цепь и упускают из вида тот факт, что распределение тока на стадии резонатора является четвертьволновой синусоидой с I max (V min) внизу и I min (V max) наверху.) До тех пор, пока мы не воспользовались концепцией «усредненного характеристического сопротивления» Шелкунова и не применили к резонаторам Теслы линейную теорию распространения медленных волн, мы не могли точно предсказать действие высоковольтного, высокочастотного генератора и, соответственно, создавать огненные шары. Наша модель достаточно надежна при использовании ее для анализа данных лабораторных тетрадей Теслы за 1899 г.
Основная часть установки Теслы для создания огненных шаров состоит из четвертьволнового спирального резонатора замедляющей волны, расположенного над проводящей, заземленной плоскостью. Наш резонатор магнитно связан с искровым разрядным генератором высокой пиковой мощности (примерно 70 кВт), работающим с частотой 67 кГц. Фактическая средняя мощность, поступающая на высоковольтный электрод, была порядка 3,2 кВт (при этом создавался 7,5-м ВЧ разряд). Используемая Теслой мощность была, конечно, в 100 раз больше той, которую потребляли мы на нашем достаточно скромном оборудовании.
Действие установки. Искровой разрядный генератор производил 800 импульсов в секунду, а продолжительность искры составляла 100 мкс. Вторичная обмотка высокочастотного резонатора имела измеренное время когерентности 72 мкс. Это означает, что индуцированные некогерентные полихроматические колебания занимают 72 мкс для того, чтобы создать стоячую волну и образовать высокое напряжение в верхней части резонатора:
где S -коэффициент замедления спирального резонатора. Схема Смита может быть использована для удобной демонстрации работы высоковольтной секции установки.
Установки Теслы имеют несколько важных преимуществ перед другими высоковольтными устройствами (такими, как генераторы ван де Графа и Маркса). В них не только достигается высокая энергия, но также разрешены циклы в напряженных режимах, т. е. высокие частоты повторения и работа с высокой средней мощностью. Согласно инструкциям Теслы короткий кусок толстого медного провода или угольный электрод выходит из боковой части высоковольтного электрода. Когда указанный электрод разряжается, ВЧ резонатор выделяет энергию быстро, импульсом. (Тесла отмечал во многих местах заяисей, что для появления огненных шаров требуется создание «быстрых и мощных» разрядов.) Всплеск выделенной энергии проявляется в виде сферического шара или того образования, которое может быть фрактальным «пузырем». Этот метод создания огненных шаров определяется релаксацией испаренного металла или частиц угля, причем образуемые кластеры не отличаются от появляющихся в результате агрегации, ограниченной диффузией Форреста и Уиттена. Полезными являются указания Теслы по использованию покрытого резиной кончика кабеля или медного провода для того, чтобы «облегчить зажигание искры». Мы предполагаем, что диффузионно-ограниченная агрегация проходила либо в парах меди, либо в парах угля (в результате испарения либо провода, либо его изоляции). Как и в случае с SiO 2 , при таких условиях конденсированный ϹuО 2 тоже может образовывать аэрогель. Образование фрактального шара не сильно отличается от того, что наблюдали Форрест и Уиттен (за исключением того, что он заряжался высоковольтным электродом). Между прочим, резиновая изоляция старого образца покрывалась сажей.
Но, как указывает Смирнов, простое образование пористого фрактального кластера еще не будет достаточным условием для появления шаровой молнии с временем жизни большим нескольких миллисекунд. Фрактальное образование получалось из сажи еще в свечах Фарадея, но для образования шаровой молнии, живущей несколько секунд и более, необходимы и другие составляющие. Подчеркнем, что установка Теслы является источником озона и других химически активных частиц. Мы полагаем, что эти, а может, и другие частицы быстро поглощаются заряженным пористым фрактальным кластером. Температура плазмы в районе разряда, где формируется структура, достаточна для того, чтобы вызвать многоступенчатый процесс горения.
Экспериментальные наблюдения. Используя установку, схема которой представлена на рис. 1, мы наблюдали большое число огненных шаров диаметром от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Времена жизни огненных шаров типично продолжались от половины до нескольких секунд, их цвет изменялся от темно-красного до ярко-белого. Исчезновение некоторых из огненных шаров сопровождалось громким звуком, в то время как другие появлялись и затухали.
Иногда производить запись явления на фотопленку на доступной нам технике было сложно. В некоторых случаях видеозапись оказывалась прекрасной. Продолжительность могла быть оценена по скорости кадров видеоаппаратуры. Но для стандартных фильмов как скорость кадров, так и выдержка, были слишком медленными. Однако фотографии часто получались адекватными изображению. В замечательной последовательности фотографий можно наблюдать появление огненных шаров с противоположной стороны оконного стекла.
На фотографии рис. 2 видно, как огненный шар плавно скользит справа налево и вверх. (На самом деле, огненный шар сначала сформировался, а затем в него ударил стример. В результате.появилось изображение, на котором огненный шар пронизан стримером.)
Белый огненный шар имел диаметр порядка 2 см. Электрод изготовлен из медного провода, при съемке использована выдержка 1/125 с.
Длина стримера превышала 1,5 м. Другие светящиеся области и яркие точки видны слабо.
При съемке фотографии рис. 3 было видно невооруженным глазом много огненных шаров, но лишь один из них был пойман фотокамерой. Видно, как он поднимается слева направо по отношению к центральной части стримера. Обратите внимание на яркие и темные области стримера. Диаметр огненного шара был около 2 см, а длина стримера, справа, превышала 2 м. Электродом служил медный провод» использована выдержка 1/125 с. На фотографии рис. 4 находятся два огненных шара, образовавшиеся близко друг от друга. Скользя вправо,. они столкнулись с разными стримерами. Использована выдержка 1/4 с.
На фотографии рис. 5 видно пять больших огненных шаров (около 2 или 3 см в диаметре), несколько светящихся точек и ярко светящийся участок стримера длиной около 30 см. Использована выдержка 1/4 с. (Красное свечение в нижнем левом углу фотографии возникло благодаря интенсивному нагреву у основания дуги.)
В наших лабораторных экспериментах огненные шары обычно формировались около высоковольтного резонатора и проносились снаружи от стримера либо выше, либо ниже его. Это представляется удовлетворяющим названию «Kugelblitz»-шаровая молния.
Видеозаписи эволюции огненных шаров указывают на то, что огненные шары возникают вблизи электрода, а затем в них ударяют стримеры. Первоначально они бывают величиной со сферу в 6 мм, которая затем начинает расти. Кажется, что шарик застыл, плавая в объеме, а стример тем временем гаснет. Затем в плавающий шар ударяет новый стример, и он становится больше. Мы наблюдали, как в один шар последовательно попали шесть разрядов, при этом он каждый раз увеличивался. Наблюдался огненный шарик, который вырос из первоначальной 6 мм сферы в огненно-красную глобулу диаметром 5 см за время в 1 с. Иногда было видно, как вращаются некоторые шары с движущимися пятнами (как пятна на солнце). Некоторые огненные шары кажутся прозрачными рядом с разрядами, пронизывающими их. Мы наблюдали несколько светящихся образований, которые в течение эволюции изменяли цвет и в конце концов взрывались как сверхновая. При этом в соответствии с указанным ранее предположением помещение восковой свечи на высоковольтный резонатор усиливает появление огненных шаров.
Фотография рис. 6 увеличена для того, чтобы показать глобульную структуру одиночного большого яркого изолированного электрического огненного шара. В действительности огненный шар был диаметром приблизительно в 1 см. Огненные шары имеют сферическую структуру, и это наводит на мысль, что поверхностное натяжение должно играть какую-то роль в эволюции шаровой молнии. Легкое, но заметное потемнение лимба и почти твердое изображение указывают на то, что шаровая молния оптически плотна. Электродом служил провод, намотанный на восковую свечу, использована выдержка 1/4 с.
Фотография рис. 7 была сделана при видеосъемке образования огненного шара вблизи высоковольтного электрода. После сортировки кадров на дисплее был перефотографирован отдельный кадр на цветном мониторе.
Последовательность событий была весьма примечательна. Сначала кажется, что огненный шар появился из «ничего» (так как его не было на предыдущем кадре). На следующих кадрах стример уходит и исчезает, оставляя шаровую молнию несколько увеличенной в размере и более горячей, как это показано на фотографии рис. 7. (Наблюдение за стримерами тоже очаровывающее занятие-стримеры часто появляются такими, будто они состоят из яркого жидкого вещества, которое видно как впрыскивается и движется в их направлении. Это вещество, очевидно, добавляется к веществу шаровой молнии и увеличивает ее размер.)
Из последовательности видеозаписей становится понятным, что снимок может дать неправильное представление, ибо огненные шары выглядят вместе со стримерами как мячики для гольфа, нанизанные на шпагу. В действительности же установка (делающая 800 прерываний в секунду) производит в секунду очень большое число разрядов. Эти разряды попадают в огненные шары достаточно часто за время выдержки и дают на фотографиях изображение образования шаровой молнии в стримере. На самом деле стримеры прыгают от шаровой молнии к шаровой молнии, ослепительно высвечиваясь. На фотографиях в инфракрасном свете огненные шары значительно ярче стримеров. Это означает, что они значительно горячей, чем стримеры.
Видеоснимки дают еще одну возможность-наблюдать слабые вариации распределения свечения поперек диска шаровой молнии. В одном частном случае шаровая молния была действительно окружена светящейся оболочкой аналогично звезде М-52 (кольца Небулы в созвездии Лиры). Усиление результирующего сигнала открывает большое истинное свечение сферической оболочки шаровой молнии. В астрофизике такое случается только с особо горячими звездами типа О и В.
Фотография
(рис. 8) может вызвать волнение. Изображение
содержит дюжину больших сферических
глобул, находящихся в одном ряду и на
разных стадиях развития, когда в них
попадает один и тот же стример.
Огненные шары, начиная с красных карликов,
проходят состояния с различными цветами
и размерами к гигантской бело-голубой
стадии. Кажется, что некоторые из них
взорвутся как сверхновая, тогда как
другие охладятся, как красные гиганты.
Выдержка 1/4 с. Штырь из древесного
угля использован вместо покрытого
резиной медного провода для «зажигания
искры» Теслы. Высоковольтный электрод
диаметром 30 см виден слева.
В работе мы фотографически подтверждаем «прохождение шаровых молний через оконное стекло» в наших лабораторных экспериментах. Мы также сообщаем об альтернативных электрических устройствах для получения тех же результатов.
Выводы. Анализируя полученные результаты, мы считаем, что, как и в установке Форреста и Уиттена, в рассматриваемом случае сильноточные импульсы, исходящие из медного провода и древесно-угольных электродов на высоковольтном электроде, могут создавать фрактальные сгустки, которые быстро адсорбируют озон и другие химически активные компоненты из приэлектродной области. Образуемые электрически заряженные аэрогельные структуры проявляют характерные свойства шаровых молний. Эта фрактальная природа электрохимических шаровых молний была впервые предложена и теоретически исследована советским ученым Б. М. Смирновым. Нет никакого сомнения в аналогичности этих огненных шаров, полученных в высоковольтном генераторе, и шаровых молний, появляющихся естественным путем в атмосферных электрических грозах.
Мы также отмечаем, что эти результаты тщательно подтверждают исторические эксперименты Теслы по созданию шаровой молнии. Не может и быть сейчас вопроса о достоверности его записей 1899 г. и правдивости его наблюдений шаровой молнии.
Заключительные замечания. У Теслы не было двойственного отношения к наблюдению и лабораторному созданию электрических шаровых молний. Описывая исследования 1899г. по шаровой молнии, он говорил: «Мне удалось определить способ их образования и создать их искусственно» . К несчастью в течение жизни он не выбрал пути ознакомления широкой научной общественности со своей экспериментальной техникой. Нам повезло, что он оставил после себя такую подробную интересную документацию. Как раз накануне закрытия его лаборатории в Колорадо-Спрингс Тесла записал в дневнике: «Наилучшее изучение этого явления может быть проведено при продолжении экспериментов с более мощными установками, которые в существенной степени разработаны и будут сконструированы, как только время и средства мне позволят». Причина записи заключалась в том, что он возвратился в Нью-Йорк, начал строить большую передающую станцию на Лонг- Айленд, преследовался кредиторами и потерпел финансовое банкротство прежде, чем смог закончить создание аппаратуры.
Время прошло, теперь шаровые молнии могут быть тщательно изучены в лабораторной контролируемой среде. Мы думаем, что работа, которую Тесла оставил незавершенной, может быть сейчас возобновлена. С развитием техники и концепций, доступных современным ученым, будет непременно достигнут быстрый прогресс в этом направлении.
Цитата в начале работы взята из доклада Капицы «Воспоминания о Лорде Резерфорде» на заседании Королевского общества в 1966 г. Капица, который сам инспирировал много работ по шаровой молнии, продолжает: «Основными чертами мышления Резерфорда были большая независимость и большая смелость». Эти качества являются характеристиками всех тех, кто хоть что-то вложил в поступательное движение цивилизации. Однако, как указывал Капица, нигде это не выглядит так критично, как в научных вопросах. Конечно, эти отважные черты присутствовали и в жизни Николы Теслы-физика-экспериментатора, инженера и изобретателя.
Нам кажется уместным закончить работу собственными мыслями Теслы, пришедшими ему в первые часы XX в. и записанными в дневник всего за несколько дней до отъезда в Нью-Йорк из его лаборатории в Колорадо-Спрингс, покрытой снегом и пронизанной одиночеством: «Это является фактом, что данное явление может быть теперь искусственно создано, и будет нетрудно узнать больше о его природе» (Н . Тесла, 3 января 1900 г.).
К несчастью для современной цивилизации эти удаленные исследовательские устройства на земле Скалистых Гор были закрыты навсегда в январе 1900 г., и электрические чудеса, проделанные в этих стенах, оставались тайной вплоть до нашего поколения.
Вы летите на своём корабле по пещере, уклоняясь от вражеского огня. Однако, довольно скоро вы осознаёте что врагов слишком много и похоже что это конец. В отчаянной попытке выжить вы жмёте на Кнопку. Да, на ту самую кнопку. На ту, что вы приготовили для особого случая. Ваш корабль заряжается и выпускает по врагам смертоносные молнии, одну за другой, уничтожая весь флот противника.
По крайней мере, таков план.
Но как же именно вам, как разработчику игры, отрендерить такой эффект?
Генерируем молнию
Как оказалось, генерация молнии между двумя точками может быть на удивление простой задачей. Она может быть сгенерирована как (с небольшим рандомом во время генерации). Ниже пример простого псевдо-кода (этот код, как и вообще всё в этой статье, относится к 2d молниям. Обычно это всё что вам нужно. В 3d просто генерируйте молнию так, чтобы её смещения относились к плоскости камеры. Или же можете сгенерировать полноценную молнию во всех трёх измерениях - выбор за вами)SegmentList.Add(new Segment(startPoint, endPoint)); offsetAmount = maximumOffset; // максимальное смещение вершины молнии for each iteration // (некоторое число итераций) for each segment in segmentList // Проходим по списку сегментов, которые были в начале текущей итерации segmentList.Remove(segment); // Этот сегмент уже не обязателен midPoint = Average(startpoint, endPoint); // Сдвигаем midPoint на случайную величину в направлении перепендикуляра midPoint += Perpendicular(Normalize(endPoint-startPoint))*RandomFloat(-offsetAmount,offsetAmount); // Делаем два новых сегмента, из начальной точки к конечной // и через новую (случайную) центральную segmentList.Add(new Segment(startPoint, midPoint)); segmentList.Add(new Segment(midPoint, endPoint)); end for offsetAmount /= 2; // Каждый раз уменьшаем в два раза смещение центральной точки по сравнению с предыдущей итерацией end for
По сути, каждую итерацию каждый сегмент делится пополам, с небольшим сдвигом центральной точки. Каждую итерацию этот сдвиг уменьшается вдвое. Так, для пяти итераций получится следующее:
Не плохо. Уже выглядит хотя бы похоже на молнию. Однако, у молний часто есть ветви, идущие в разных направлениях.
Чтобы их создать, иногда, когда вы разделяете сегмент молнии, вместо добавлениях двух сегментов вам надо добавить три. Третий сегмент - просто продолжение молнии в направлении первого (с небольшим случайным отклонением).
Direction = midPoint - startPoint; splitEnd = Rotate(direction, randomSmallAngle)*lengthScale + midPoint; // lengthScale лучше взять < 1. С 0.7 выглядит неплохо. segmentList.Add(new Segment(midPoint, splitEnd));
Затем, на следующих итерациях эти сегменты тоже делятся. Неплохо будет так же уменьшить яркость ветви. Только основная молния должна иметь полную яркость, так как только она соединенна с целью.
Теперь это выглядит так:
Теперь это больше похоже на молнию! Ну… по крайней мере форма. Но что насчёт всего остального?
Добавляем свет
Первоначально система, разработанная для игры использовала закруглённые лучи. Каждый сегмент молнии рендерился с использованием трёх четырёхугольников, для каждого из которых применялась текстура со светом (чтобы сделать её похожей на округлённую линию). Закругленные края пересекались, образуя стыки. Выглядело довольно хорошо:
… но, как вы видите, получилось довольно ярко. И, по мере уменьшения молнии, яркость только увеличивалась (так как пересечения становились всё ближе). При попытки уменьшить яркость возникала другая проблема - переходы становились очень
заметными, как небольшие точки на протяжение всей молнии.
Если у вас есть возможность рендерить молнию на закадровом буфере - вы можете отрендерить её, применяя максимальное смешивание (D3DBLENDOP_MAX) к закадровому буферу, а затем просто добавить полученное на основной экран. Это позволит избежать описанную выше проблема. Если у вас нет такой возможности - вы можете создать вершину, вырезанную из молнии путём создания двух вершин для каждой точки молнии и перемещения каждой из них в направлении 2D нормали (нормаль - перпендикуляр к среднему направлению между двумя сегментами, идущими в эту вершину).
Должно получится примерно следующее:
Анимируем
А это самое интересное. Как нам анимировать эту штуку?Немного поэкспериментировав, я нашёл полезным следующее:
Каждая молния - на самом деле две молнии за раз. В этом случае, каждую 1/3 секунды, одна из молний заканчивается, а цикл каждой молнии составляет 1/6 секунды. С 60 FPS получится так:
- Фрейм 0: Молния1 генерируется с полной яркостью
- Фрейм 10: Молния1 генерируется с частичной яркостью, молния2 генерируется с полной яркостью
- Фрейм 20: Новая молния1 генерируется с полной яркостью, молния2 генерируется с частичной яркостью
- Фрейм 30: Новая молния2 генерируется с полной яркостью, молния1 генерируется с частичной яркостью
- Фрейм 40: Новая молния1 генерируется с полной яркостью, молния2 генерируется с частичной яркостью
- И т. д.
Т. е. они чередуются. Конечно, простое статическое затухание выглядит не очень, поэтому каждый фрейм есть смысл сдвигать немного каждую точку (особенно круто выглядит сдвигать конечные точки сильнее - это делает всё более динамичным). В результате получаем:
И, конечно, вы можете сдвигать конечные точки… скажем, если вы целитесь по движущимся целям:
И это всё! Как вы видите - сделать круто выглядящую молнию не так и сложно.
Лабораторные опыты с атмосферным электричеством позволяют узнать много, но загадки все ещё остаются.
Оказалось, что холодная плазма в разреженной среде при наличии быстропеременного электрического поля имеет к нему мало отношения.
В Петербургском институте ядерной физики уже несколько лет существует мастерская шаровых молний. Тут была придумана и создана небольшая установка, с достаточной точностью воспроизводящая природный процесс рождения молний на влажной поверхности: тут есть медный ввод, играющий роль громоотвода, кварцевая трубочка с электродом, открытая поверхность водопроводной воды.
В роли громового облака выступает батарея конденсаторов на 600 мкФ, которую можно заряжать до 5,5 кВ. Это серьезное напряжение — малейшая неосторожность при работе с ним грозит смертельной опасностью.
Она была подробно описана в институтском препринте от 24 марта 2004 года. Вода в полиэтиленовой чашке должна быть заземлена, для этого на дно положен медный кольцевой электрод. Он соединен изолированной медной шиной с землей. Положительный полюс конденсаторной батареи тоже заземлен.
От медного ввода хорошо изолированная шина ведёт к центральному электроду. Это цилиндрик из железа, алюминия или меди, диаметром 5-6 мм, который плотно окружен трубочкой из кварцевого стекла. Она возвышается над поверхностью воды на 2-3 мм, сам электрод опущен вниз на 3-4 мм. Образуется цилиндрическая ямка, куда можно капнуть каплю воды. Конец медного провода от отрицательного полюса конденсаторной батареи нужно закрепить на длинной эбонитовой ручке.
Если быстро коснуться этим разрядником медного ввода, то из центрального электрода с хлопком вылетит плазменная струя, от которой отделится и поплывет в воздухе шаровой плазмоид. Цвет его будет разным: с железного электрода сорвется яркий белёсый плазмоид, с медного — зеленый, а с алюминиевого электрода — белый с красноватым отливом: такие плазмоиды видят летчики, когда в самолет ударяет молния.
Чтобы получить настоящую шаровую молнию, нужно вставить в кварцевую трубку цилиндрик из пористого угля. Такие угли используют при дуговом спектральном анализе. Пористый уголь можно пропитать разными растворами и суспензиями.
Если нанести на электрод водную вытяжку из почвы, с органикой, частичками угля и глины, то при разряде из электрода вылетит классическая шаровая молния «апельсинового» цвета. Правда, проживет она не дольше секунды, но этого достаточно, чтобы рассмотреть её во всех деталях и полюбоваться ею.
Получение настоящих шаровых молний — дело нетрудное. Нужна линейная молния, бьющая в некое подобие громоотвода, и сырой воздух.
Для того, чтобы изучать свойства шаровых молний, нам приходилось изготавливать их тысячами.
Прежде всего, электрические измерения показали, что шаровая молния — это, действительно, автономное образование: ток в разрядном контуре исчезает через десятую долю секунды, потом молния свободно движется и светится за счет аккумулированной энергии.
Как это ни удивительно, но шаровая молния имеет комнатную температуру!
Молния, кстати, не намного горячее огурца на грядке. Этот парадокс связан с особым состоянием ионов в керне шаровой молнии. Каждый возникший при разряде ион сразу гидратируется — во влажном воздухе его плотно окружают молекулы воды. Разноименные ионы притягиваются друг к другу, но молекулы воды мешают им сблизиться. Возникает особое состояние вещества — гидратированные кластеры.
Компьютерное моделирование показало, что в гидратированной плазме скорость рекомбинации ионов резко замедляется. Если в «сухой» плазме она происходит за миллиардную долю секунды, то у ионов, законсервированных в кластере, рекомбинация затягивается на десятки и сотни секунд. В течение этого времени молния будет светиться.
В керне шаровой молнии гидратированные кластеры с большим дипольным моментом образуют цепочечные и фрактальные структуры. Клуб теплого, влажного воздуха может аккумулировать громадную энергию, до килоджоуля на литр, если получит её при разряде в виде разобщенных ионов разного знака.
Таким образом, загадку шаровых молний можно считать разгаданной. А ведь ещё совсем недавно она занимала свое место среди загадок природы, обсуждаемых на телевидении и в печати, где-то рядом с НЛО, Тунгусским метеоритом и Бермудским треугольником.
И это неудивительно. Миф о шаровой молнии кормит уже не одно поколение журналистов и ученых.
В погоне за сенсацией в сообщения о шаровой молнии вводились красочные подробности. Бесхитростный рассказ фермера: «Раздался сильный удар грома. По водосточной трубе сбежал огненный комок, размером с кулак, и нырнул в бочку с водой. Вода булькнула. Я подошел и сунул руку в воду. Вода, вроде, стала теплее…», — после четырех последовательных перепечаток в газетах превратился в научный труд по вычислению запаса энергии в объеме размером с кулак, способном испарить объем воды размером с бочку.
Сегодня, дорогие друзья, мы будем проводить забавные, но весьма познавательные опыты по физике. Мы с вами вызовем молнию, заставим взорваться пустую жестяную банку, и изогнем струю воды из-под крана. Эти веселые опыты очень интересны и увлекательны, и вместе с тем, помогут понять физическую природу некоторых вещей.
Веселые опыты мы начнем с вызова молнии
Лучше всего домашнего изготовления видно в темноте. Для вызова молнии самыми лучшими являются ясные и сухие дни. Для проведения этого , вам потребуется: пластмассовая расческа, шерстяной свитер или тряпочка, металлическая дверная ручка или дверная коробка.
Для того чтобы вызвать молнию, нужно:
1. Быстрыми движениями потри расческу о шерстяной свитер или шерстяную тряпочку в течение тридцати секунд. Расческа зарядится .
2. Поднеси расческу очень-очень близко к дверной ручке или коробке, не дотрагиваясь до нее. Ты увидишь вспышку, проскакивающую между ними, прямо как молния, пробегающая от тучи к земле.
Продолжим наши веселые опыты, взорвав пустую жестяную банку
Для проведения этого , нам потребуется: пустая алюминиевая банка из-под напитка, открывающаяся кольцом, кухонные щипцы, большая миска или наполовину заполненная холодной водой раковина, столовая ложка, плита.
Чтобы пустая жестянка взорвалась, нужно:
1. Наполни большую миску холодной водой или наполовину заполни раковину.
2. Проверь, чтобы щипцы крепко держали жестянку.
3. Налей в банку две столовые ложки воды.
4. С помощью взрослого поставь банку на плиту и вскипяти воду.
5. После того, как пар выйдет из банки в течение двадцати секунд, захвати жестянку щипцами, развернув ладонь вверх.
6. Быстро поднеси банку к холодной воде, переверни ее вверх дном (очень осторожно, чтобы не капнуть кипятком на себя) и опусти верхушку банки чуть ниже уровня холодной воды.
7. Смотри, что происходит!
Пар выталкивает воздух из банки. Когда жестянка остывает, пар превращается обратно в очень небольшое количества воды. Давление воздуха снаружи банки сожмет ее внутрь. Без воздуха внутри банки, который мог бы давить на стенки наружу, это давление «взрывает» жестянку.
Атмосферное давление намного больше, чем ты думаешь, – только посмотри, как разрушается банка!
Закончим наши веселые опыты, изогнув струю воды под краном
И опять же нам потребуется пластмассовая расческа и шерстяной свитер или тряпочка.
1. Немного приоткрой кран, чтобы капель превратилась в тонкий непрерывный ручеек.
2. Потри обратную сторону расчески обо что-нибудь шерстяное.
3. Держи расческу вертикально и обратной стороной поднеси близко к воде.
4. Вода выгнется в сторону расчески.
Приобретает электрический заряд. Тогда она начинает притягиваться к предметам, имеющим противоположный заряд.
Ты можешь потереть воздушные шарики и испробовать другие предметы из пластмассы, например пластиковые бутылки и полиэтиленовые пакеты. Попробуй также использовать другие ткани, особенно пушистые и шелковистые.
Одна моя очень хорошая знакомая жалуется,
что она мечет молнии, и чувствует себя наэлектризованной.
Для неё посвящаю эту статью, ибо, сделав молнию по моим
рецептам, можно выпустить пар и снять избыточный заряд.
Итак, что нужно для (молниеносного) создания молнии?
1. Электрическая розетка… в которую воткнут шнур от вашего компьютера.
2. На этом компьютере установлен Adobe Photoshop любой версии.
3. Желание освоить метод как за 6 шагов создать молнию.
Фотошоп известен как инструмент для издевательств над фотографиями. Однако, мало кто в нем пробовал рисовать с нуля. Точнее, может, и пробовали, да далеко не продвинулись, уж больно он сложен, если так просто без добрых советов пытаться в нём рисовать.
Итак, молния. Кстати, помимо самой молнии буду давать ценнейшие комментарии по пользованию Фотошопом.
Запускаем Adobe Photoshop.
1. Ctrl+N - создать новый документ. Укажите размеры, например, 400 на 400 пикселей.
2. Устанавливаем цвета по умолчанию - черный и белый. Для этого есть клавиша D - рекомендую запомнить. (Попробуйте также X - переключает цвета фона и рисунка туда и обратно)
3. Заливаем рисунок градиентом. Обратите внимание, что добраться до основных инструментов можно с помощью соответствующих клавиш. Эти клавиши появляются, когда вы задерживаете мышь над инструментом. Например, подведите мышь к кисти, появляется подсказка - Brush (B) так и другие инструменты. Некоторые буквы предлагают ряд инструментов переход к ним осуществляется с помощью Shift+буква. Возвращаясь к градиентной заливке - это буква G, на нее приходится и простая цветовая заливка (в ведра с выливающейся краской) и градиент. Нажимайте Shift+G пока не увидите градиент. Заливать градиентом просто - нужно щелкнуть в одном месте рисунка и провести мышь в другое место. Есть несколько вариантов градиентной заливки -линейная, радиальная и др. Все хорошо попробовать для создания различных молний.
4. Накладываем фильтр Filter => Render => Difference Clouds
5. Инвертируем цвета (делаем негатив), что достигается клавишей I (от inverse)
6. Затемняем рисунок. Хороший инструмент - уровни - Ctrl+L, надо подвигать рычажки чтобы рисунок стал темнее (центральный движок двигаем вправо). Всё, черно-белая молния готова. Можно её немного раскрасить.
7. Ctrl+U - верхний движок - цветовой оттенок, нижние два - насыщенность и яркость. Играйтесь со всеми движками, ищите своё уникальное решение.
Не правда ли, изумительные рисунки получаются? Можете выслать мне наиболее интересные, и я тут размещу.
Ещё что-нибудь показать из Фотошопа? Кстати, теперь можете взять любую свою фотографию в ночным небом и добавить туда свою же молнию, она может ударять вам в руку. Совсем не больно.