PNIPU

— Температура в канале молнии достигает 27 000 - 30 000 градусов Цельсия, что примерно в 5 раз горячее поверхности Солнца. Молния распространяется с огромной скоростью — около 150 000 км/с для лидера (предварительной стадии) и до 100 000 000 м/с для обратного, главного удара. Полный разряд от облака до земли обычно происходит за доли секунды. Сила тока в канале молнии может составлять от 10 до 200 тысяч ампер, — рассказывает Максим Симакин, эксперт Пермского Политеха в области метеорологии, член Русского географического общества.

От линейных до шаровых: какие виды молний бывают

Небесные искры, поражающие своим разнообразием, классифицируются по траектории и месту возникновения разряда. Наиболее распространенный вид — линейная молния с характерными зигзагообразными очертаниями. Внутри облаков также происходят электрические разряды, формирующие внутриоблачные вспышки.

По словам эксперта, разряды могут происходить и между разными облаками, создавая межоблачные искры. Самым опасным типом является линейная, ударяющая из облака в деревья, дома или землю. Плоская молния представляет собой освещение всего неба изнутри и обычно именно она наблюдается ранней весной или поздней осенью. Ленточные возникают, когда порывы ветра сдвигают последовательные разряды.

Отдельно стоит упомянуть шаровую молнию — редкое и загадочное явление, представляющее собой светящийся шар, существование которого до сих пор мало изучено. Вероятно, это плазмоид, образующийся при определенных условиях обычного разряда.

— При встрече с шаровой молнией крайне важно сохранять спокойствие. Не делайте резких движений и ни в коем случае не бегите, так как поток воздуха может направить ее к вам. Не приближайтесь к болиду и не пытайтесь его коснуться. Не создавайте сквозняков, открыв окна и двери. Старайтесь не находиться на предполагаемой траектории ее движения. Оптимальным решением будет замереть и медленно и плавно отступать в сторону, избегая соприкосновения с металлическими предметами, — предупреждает Максим Симакин.

Почему мы сначала видим молнию, а только потом слышим гром

Гром — это звуковая волна, возникающая в результате резкого расширения и нагрева воздуха в канале молнии. Когда электрический разряд нагревает воздух до температуры 30 000°C, воздух мгновенно расширяется, создавая ударную волну. Раскатистый характер грома объясняется отражением звука от облаков, земной поверхности и других препятствий, а также тем, что разные участки длинного канала молнии находятся на разном расстоянии от наблюдателя.

— Это происходит из-за разницы в скорости распространения света и звука. Свет движется со скоростью около 300 000 км/с, поэтому вспышку молнии мы видим практически мгновенно. Звук же распространяется гораздо медленнее — примерно 340 м/с. Именно поэтому гром доходит до нас с задержкой. По этой разнице можно даже примерно определить расстояние до молнии: каждые 3 секунды задержки соответствуют примерно 1 километру, — утверждает эксперт Пермского Политеха.

Химия атмосферы: откуда берется запах озона во время грозы

— При ударе молнии выделяется огромная энергия. Она расщепляет молекулы кислорода (O₂) в воздухе на отдельные атомы. Затем эти атомы соединяются с другими молекулами кислорода (O₂), образуя озон (O₃). Именно он имеет характерную «свежесть». Кроме того, молния способствует образованию оксидов азота. Вступая в реакцию с влагой в воздухе, оксиды азота образуют слабые растворы азотной кислоты. Эти растворы также вносят свой вклад в специфический «грозовой» аромат, — объясняет Максим Симакин.

Стоит отметить, что чувствительность к запаху озона варьируется от человека к человеку. Некоторые люди более восприимчивы к нему, а другие могут вообще его не ощущать.

Тихий разряд: почему молния иногда бьет «всухую»

Грозы обычно ассоциируются с ливнями, но иногда природа преподносит сюрприз — на улице сверкает, а дождя нет. Такое явление возникает, когда облако порождает молнии, но осадки испаряются в перегретом воздухе, не достигая земли. Это происходит из-за резкого перепада влажности между верхними и нижними слоями атмосферы, где сухой воздух буквально «растворяет» падающие капли дождя.

— Сухие грозы особенно опасны в засушливых районах, так как могут вызывать лесные пожары из-за ударов молний, которые не гасятся дождем. Кроме того, молнии могут ударять в землю, но люди не ждут угрозы, потому что дождя нет, — говорит Максим Симакин.

Гром среди снега: почему даже зимой могут сверкать молнии

Снежная гроза (или зимняя гроза) — это грозовое явление, сопровождающееся выпадением снега вместо дождя. Они возникают при особых условиях: достаточно мощная конвекция должна развиваться при отрицательных температурах воздуха.

— Обычно это происходит при вторжении очень холодных воздушных масс над относительно теплой поверхностью (например, над незамерзающим морем зимой). Механизм электризации такой же, как и при обычной грозе, но в случае снежной грозы основную роль играют ледяные кристаллы и снежинки, —рассказывает эксперт.

Куда чаще ударяет молния и при чем тут физика

— Молнии, являясь мощным электрическим разрядом, выбирают путь наименьшего сопротивления к земле. Здания из-за своей высоты и часто металлической конструкции находятся значительно ближе к заряженным облакам, чем поля. Это сокращает путь разряда и уменьшает сопротивление, делая многоэтажки предпочтительной целью, — объясняет Регина Ларионова, старший преподаватель кафедры строительного инжиниринга и материаловедения Пермского Политеха.

Шансы дерева стать мишенью для молнии определяются рядом характеристик, в частности, его ростом, местоположением, степенью увлажнения и составом. Взрослые дубы и лиственницы, как правило, превосходят сосны и березы по высоте и размеру, что сокращает дистанцию до электрически заряженного облака и увеличивает вероятность поражения. Помимо этого, кора этих деревьев может обладать повышенной электропроводностью, благодаря большей влажности и присутствию определенных металлических ионов. Это облегчает прохождение разряда по сравнению с более «сухой» и обладающей высоким сопротивлением корой сосен и берез.

Действительно ли молниеотвод спасает дома

Молниеотвод (или громоотвод) — это устройство, предназначенное для защиты зданий и сооружений от прямых ударов. Система включает в себя молниеприемник, который перехватывает разряд, токоотвод, безопасно направляющий энергию в землю, и систему заземления, рассеивающую молнию в почве.

По словам Регины Ларионовой, молниеотвод зданий обеспечивает высокую степень защиты (до 90%) от прямых ударов. Принцип его работы основан на создании предпочтительного пути для электрического разряда, минуя конструкцию дома.

Важно отметить, что во время грозы не нужно подходить близко к электропроводке, молниеотводу, водостокам с крыш, антенне и стоять рядом с окном.

Природные электротравмы: опасны ли телефон, телевизор и микроволновка во время грозы

Во время грозы рекомендуется с осторожностью использовать проводные телефоны, телевизоры и микроволновые печи из-за риска поражения электрическим током.

— Молния, ударившая в линии электропередач или телефонные сети, может создать импульс высокого напряжения, который распространяется по проводам и достигает подключенных к сети устройств. Прикосновение к такому прибору во время скачка напряжения может привести к прохождению электрического тока через тело, вызывая ожоги, сердечные аритмии или даже летальному исходу. Поэтому для безопасности рекомендуется отключать эти устройства от сети во время грозы или не прикасаться к ним, — отмечает старший преподаватель Пермского Политеха.

Использование мобильного также нежелательно, поскольку содержащиеся в нем металлические компоненты увеличивают вероятность притяжения разряда. Тем не менее, если вы находитесь в здании, оснащенном современной системой молниезащиты, отключение телефона не требуется.

Почему металлические зонты небезопасны

Использование зонта с металлическими элементами (наконечником, спицами) во время грозы не рекомендуется из-за повышенного риска поражения молнией. Металл является отличным проводником электричества.

— Зонт, возвышающийся над человеком, может стать предпочтительной точкой для удара молнии, а металлические части обеспечат путь для прохождения тока через тело человека к земле, что может привести к серьезным травмам или летальному исходу, — говорит Регина Ларионова.

Почему не стоит купаться в водоеме во время грозы

— Молния, ударившая в воду, распространяет электрический заряд по поверхности, образуя область высокого напряжения. Человек, находящийся в водоеме, становится частью электрической цепи и подвергается воздействию тока. Сопротивление жидкости, хотя и ниже, чем сопротивление воздуха, все же достаточно велико для проведения электричества на значительные расстояния. Разряд может распространиться на сотни метров от точки удара, делая всю акваторию потенциально опасной, — отмечает эксперт.

Кроме того, даже если молния не попадет непосредственно в купающегося, электричество в воде может представлять серьезную угрозу для жизни.

Контроль печати в основном проводится оператором вручную, что также замедляет производство. Автоматизация процесса позволит его ускорить, а также минимизировать количество брака при изготовлении ответственных деталей.

Ученые Пермского Политеха совместно со старшеклассниками Политехнической школы разрабатывают систему, которая сразу в процессе 3D-печати изделия отследит малейшие ошибки с помощью искусственного интеллекта. Программа анализирует параметры сварочного процесса – ток, напряжение и траекторию печати. Нейросеть выявляет отклонения от нормы и передает информацию на веб-интерфейс, который отображает аномалии. Это позволяет оператору быстро внести коррективы и предотвратить появление брака.

– Существующие системы контроля аддитивного производства, обнаруживают дефекты уже после печати изделия, тогда как нейросеть предсказывает их заранее, позволяя скорректировать настройки моментально. Предлагаемое нами решение автоматизирует процесс, что значительно снижает зависимость от ручного контроля и ускоряет производство, – объясняет Полина Главатских, участник проекта, учащаяся 10 класса Политехнической школы.

Политехники уже создали бета-версию программы и прототип веб-интерфейса. После доработки и тестирования продукта компании, работающие с аддитивными установками или роботизированной сваркой, смогут купить ПО и далее пользоваться технической поддержкой разработчиков.

– Компаниям, производящим металлические изделия методом 3D-печати, необходимо минимизировать возникающие в процессе ошибки, автоматизировать контроль вместо ручной проверки и предотвратить брак до его возникновения. Наша система способна объединить в себе все эти качества, а также обеспечить устойчивое развитие аддитивного производства, расширить его применение в различных отраслях и сделать доступным и эффективным для всех участников рынка. Это укрепит позиции отечественных предприятий, занимающихся трехмерной печатью, а также внесет значительный вклад в технологический прогресс РФ, – рассказывает Роман Давлятшин, руководитель проекта, младший научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ.

Разработка школьников и ученых Пермского Политеха в режиме реального времени и на ранних стадиях идентифицирует ошибки при изготовлении металлических изделий. Внедрение нейросети в 3D-печать – это серьезный шаг к бездефектному производству промышленных деталей. Предлагаемая система сделает аддитивные технологии надежнее и доступнее.

После ухода зарубежных производителей с рынка протезирования в России возник острый дефицит доступных и качественных решений для реабилитации. Высокие цены, нехватка специалистов и комплектующих создают ограничения для пациентов, потерявших конечность. Студенты Пермского Политеха изучили рынок и обнаружили, что отечественные компании покрывают лишь 20% потребности в таких устройствах. В ответ на это команда занялась разработкой своей линейки механических и бионических протезов верхних конечностей, сочетающих функциональность и доступность. Сейчас проект находится на стадии прототипирования.

Исследование проведено в рамках Центра прототипирования бизнес-инкубатора ПНИПУ.

– Идея пришла еще в 2022 году, когда большинство зарубежных производителей протезов покинули российский рынок, а Министерство труда Пермского края сообщило о высокой потребности в качественных решениях, которую предприятия закрывали лишь на 20%. В связи с этим пациенты сталкиваются с дефицитом предложения и долгим ожиданием изготовления персонального устройства. Это стало для нас толчком: создать протез, который будет не только функциональным и качественным, но и удобным, эстетичным и доступным для всех, кто в нем нуждается, – поделился руководитель проекта Виктор Семенов, студент кафедры автоматизации технологических процессов ПНИПУ, резидент Бизнес-инкубатора ПНИПУ «Динамика роста».

Реализацию своего проекта студенты начали с разработки активного тягового протеза кисти с использованием 3D-печати. Это тип протеза верхней конечности, который приводится в движение за счет мышечной силы пользователя через рычаг и систему тросов (тяг). Он легкий, не требует источников питания или сложной электроники, сохраняя при этом базовую функциональность.

Сейчас политехники зарегистрировали свою компанию General Bionic (ООО «Джей Би») и занимаются созданием линейки инновационных решений, которые включают производство как механических (активных тяговых), так и бионических протезов верхних конечностей. Команда работает с ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера с целью совместными усилиями реализовать управление бионическим протезом руки через неинвазивный нейроинтерфейс без внутреннего вмешательства. А реабилитационные и протезно-ортопедические центры позволяют осуществлять прямой контакт с целевой аудиторией и быстро совершенствовать устройства компании.

Нейроинтерфейс считывает электрическую активность опорно-двигательной зоны коры головного мозга, передает оцифрованный сигнал на протез, а фильтрующая нейросеть воспроизводит необходимый жест (хват). Это обеспечит максимально естественное и интуитивное взаимодействие. Внедрение искусственного интеллекта повысит адаптацию устройства к потребностям пользователя.

– Мы уже начали разработку нейроинтерфейса для управления бионическим протезом предплечья. По сути, это управление устройством при помощи мысли. Уверены, что они будут иметь широкое применение не только в протезировании, но и в реабилитации, робототехнике, системах умного дома и управлении различными технологиями, – рассказывает разработчик.

В технологии изготовления продукта преимущественно применяется
3D-печать, часть деталей производится на фрезерных станках и с ЧПУ (числовым программным управлением). В течение следующих двух лет компания планирует более 95% деталей изготавливать посредством 3D-печати, применяя пятиосевой принцип печати с армированием (укреплением углеродными волокнами) полимерных слоев. Такой процесс изготовления обеспечит большую легкость и прочность деталей каждого устройства.

Сейчас в команде General Bionic работают робототехники, механики, нейрофизиологи, техники-протезисты, специалисты по 3D-моделированию и нейронным сетям. Уже создана модель первого протеза, который теперь находится на стадии прототипа.

– На данный момент в проект был привлечен ведущий реабилитолог Пермского края Бронников В.А., а также идет активное привлечение финансирования на дальнейшие развитие и реализацию проекта, – отмечает Луиза Коногорова, директор Бизнес-инкубатора ПНИПУ «Динамика роста».

Разработчики отмечают, что индивидуальный подход к пациенту позволяет изготовить устройство, которое делает жизнь максимально удобной и комфортной. Цель компании – добиться, чтобы каждый пользователь чувствовал уверенность и свободу движений. Кроме того, студенты занимаются созданием сети сервисных центров, обеспечивающих техническую поддержку и регулярное обслуживание выпускаемых протезов.

– Мы верим в силу партнерства. Уже сейчас мы строим отношения с местными и зарубежными компаниями, чтобы обмениваться опытом, привлекать экспертов, разрабатывать и внедрять лучшие практики, – добавляет Виктор Семенов.

Проект студентов Пермского Политеха выведет сферу протезирования в России на новый уровень, повысит качество и технологичность выпускаемого продукта. Реализация серийного производства протезов верхних конечностей повысит их доступность в широких массах.

Новые технологии все чаще встраивают в образовательный процесс, делая его полезнее и увлекательнее. Особенно сегодня востребованы виртуальные лаборатории – интерактивные онлайн-симуляторы, позволяющие обойтись без применения реальных материалов и оборудования. Это делает изучение различных процессов и явлений более безопасным и менее дорогостоящим. Студенты Пермского Политеха разрабатывают инновационное VR-приложение «Химическая лаборатория», которое дает возможность школьникам и студентам проводить многочисленные опыты и эксперименты в трехмерном пространстве. Пользователи смогут многократно отрабатывать практические навыки в области химии, смешивать реактивы, получать новые уникальные элементы и наблюдать за реакцией без риска для здоровья.

В современном химическом образовании остается проблема нехватки дорогостоящих реактивов и оборудования. Плохое оснащение лабораторий не позволяет проводить частые опыты и эксперименты, что важно для полного понимания предмета. Кроме того, взаимодействие с химическими растворами может вызвать возгорание или навредить здоровью исследователя, например, есть риск получения ожогов или отравления парами.

Применение виртуальной реальности позволяет проводить любые эксперименты без ограничений. Достаточно надеть VR-очки, и человек погружается в симуляцию, где возможно все. Технология открыла новые возможности для сферы образования: появляется все больше VR-тренажеров для обучения врачей, пилотов, сварщиков и многих других. Создание же виртуальных лабораторий помогает более качественно и увлекательно изучать химию, биологию и физику с проведением безопасных опытов.

Студенты Пермского Политеха разрабатывают VR-приложение «Химическая лаборатория», которое позволит школьникам и студентам проводить реалистичные многочисленные эксперименты в трехмерном пространстве. Проект сочетает в себе авторские программные алгоритмы и новаторский подход, что повышает заинтересованность молодого поколения в области химии, а также решает проблемы недостатка химических реактивов в реальных лабораториях и низкой мобильности оборудования.

– В нашем приложении организованы два модуля: химические опыты и режим алхимика. Первый содержит ряд теоретического материала, подкрепляемого видеороликами, и позволяет учащимся проводить не менее 15 опытов, широко распространенных при изучении органической и неорганической химии. Второй включает более 250 базовых природных элементов, при смешении которых мы получаем уникальные вещества для дальнейшего использования в этом же режиме, например: вода + земля = глина, глина + огонь = керамика, – объясняет руководитель проекта, Мария Трофимова, студентка кафедры химических технологий ПНИПУ, главный специалист Бизнес-инкубатора «Динамика роста».

Для погружения потребуются VR-очки, а минимальные системные требования обеспечат работу даже на компьютерах среднего уровня. По подписке пользователь сможет скачать на устройство разработанный APK-файл приложения, доступ к которому будет открыт в любое время суток на протяжении месяца или года.

Уникальность продукта заключается в улучшенной 3D-визуализации, детальности, мобильности, новаторском режиме, эффекте присутствия и глубокого погружения, а также возможности просмотра реальных опытов, снятых в современной лаборатории. В сравнении с аналогами, которые предлагают базовое 2D качество, достигается более комфортная среда обучения и более качественная картинка.

Политехники отмечают, что, помимо учебного процесса, приложение может применяться учеными для моделирования и тестирования новых химических реакций, а также будет полезно инженерам в химической и фармацевтической промышленности для проведения экспериментальных разработок.

Разработка продукта ведется на платформе Unity с использованием современных VR-технологий. На данный момент уже готов прототип приложения, и в скором времени оно будет доступно образовательным учреждениям по подписке, которая делает его экономически выгодной альтернативой традиционным лабораториям.

VR-лаборатория студентов Пермского Политеха повысит вовлеченность школьников и студентов в учебный процесс и позволит детально изучать множество химических реакций не взаимодействуя напрямую с оборудованием и опасными веществами. Проект поможет сделать химическое образование в России более наглядным, доступным и безопасным.