«Физмарафон»: эксперимент с открытым финалом - Троицкий вариант — Наука

29 апреля в троицкой ДШИ им. Глинки финишировал юбилейный, 15-й по счету Физический марафон «Шаг в науку», или попросту «Физмарафон». В течение всего учебного года команды учеников нескольких школ под руководством учителей физики и сотрудников городских институтов создают установку, которая демонстрирует какой-либо физический закон или явление, а потом показывают ее в работе и защищают перед экспертами.

Мне доводилось с десяток раз писать об этом событии, но для местной городской газеты. Интересно ли локальное явление для издания более широкого масштаба? Наверное, да, ведь «Вариант» — все-таки именно «Троицкий», и сам по себе «Физмарафон» — акция, которая пусть и не выросла до масштабов страны, как мечтали ее создатели, но вполне могла (и может) стать некоей моделью, вариантом, по которым могли бы работать учителя со школьниками в других местах, где под боком есть НИИ или просто достаточно энтузиастов науки среди взрослых.

Одиссея на троицкий лад

Придумали «Физмарафон» в 2009 году, во времена, когда мэром города был Виктор Сиднев (за пределами Троицка его больше знают как знатока из «Что? Где? Когда?»). Еще в конце 80-х ему, тогда — сотруднику крупнейшего в Троицке института ФИАЭ им. Курчатова, довелось поработать в США по обмену учителем физики в один из городков близ «Силиконовой долины». В числе идей, которые он там почерпнул и захотел привить на местной почве, была «Одиссея разума» — международный турнир по привлечению детей в науку. Команды соревнуются, в течение нескольких месяцев решая технические и творческие задачки, защищают проекты в финале… Похоже? Не совсем. Специфика Троицка в том, что прямо рядом со школами есть десяток действующих НИИ, сотрудники которых готовы работать с подростками. Конкурс виделся своего рода «открытой лабораторной» для школьников. К работе подключились Лариса и Сергей Коневских (тогда Лариса Коневских возглавляла Троицкий Дом ученых, который тогда как раз переживал возрождение), Татьяна Зверькова и Людмила Авдеева (отдел по развитию наукограда Троицкой администрации). «Мы стали развивать идею, приземляя ее на наши реалии, — вспоминает Сергей Коневских. — Были мозговые штурмы, где уточнялся вариант, в котором увязывались а) работа в командах, с участием учителей и ученых-консультантов, б) изготовление экспонатов для музея, хотя бы на уровне концептов, в процессе чего школьники показывали бы как понимание физического явления, так и способность сделать прибор своими руками, умение его показать и рассказать о нем, и в) элементы «научного КВН», занимательной и веселой подачи материала». Добавим, что в прообразе конкурса, «Одиссее разума», школьники выполняют одни и те же задания, заранее сформулированные организаторами, в «Физмарафоне» — выбирают себе задачу сами. Ну, при помощи взрослых. Но чаще — все-таки инициатива исходит от детей, чему дальше будет немало примеров.

И главное — именно связь с институтами. Разбираясь в сути физических явлений и конструируя устройства под руководством действующих ученых и в реальных научных лабораториях, школьники загодя пробовали профессию и могли потом прийти туда работать. Сами установки должны были пополнить экспозицию научного музея «Физическая кунсткамера» в Доме ученых. А выступления перед публикой — стать основой научного шоу, которое само по себе может быть зрелищным, захватывающим и поучительным. Эксперт задает хитрый вопрос, школьники берут минуту на обдумывание, камера крупным планом выхватывает лица героев… Дальше, по мере роста, к конкурсу присоединяются гости из других наукоградов и не только, можно делать отборочные туры на местах и финал в Троицке… Правда, это фантазии, а действительность оказалась несколько сложнее. Приборы, работающие на сцене, как правило, слишком капризны для экспонатов. Участники из других городов хоть и были (Обнинск, Дубна, Зеленоград, Реутов, даже однажды немцы из Дюссельдорфа приезжали!), но мало кто оставался в «системе» постоянно. Сказать, что участники «Физмарафона» в Троицке массово становятся сотрудниками городских НИИ, тоже нельзя — такие примеры есть, но они единичны. И последнее — к 11-му классу подростков больше заботят баллы на ЕГЭ и поступление в вуз, а участие в «Физмарафоне», в отличие от «системных» олимпиад и упражнений вроде волонтерства и ГТО, никак этих баллов им не добавляет (есть исключение — с 2024 года, победители и призеры получают дополнительные баллы при поступлении в МПГУ, — Прим. авт.). И мотивация остается только одна — истинный научный интерес.

Как видим, его хватило, чтобы фестиваль сохранился, пережив и ковид (тогда доклады делались в «зуме»), и укрупнение школ (сейчас их в Троицке вместо пяти — три, а команд по-прежнему пять, по физическим зданиям школ, а то и больше), и административную реформу ТиНАО, по ходу которой местная власть потеряла львиную долю бюджета, образование перестало быть муниципальным, но такие визитные карточки города все-таки удалось сохранить. Что называется, ура.

«Конкурс — уже не мое детище, оно живет само по себе, и слава богу, — размышляет в кулуарах 15-го «Физмарафона» Виктор Сиднев. — Он изначально был не про школьную программу, а про науку и ученых. Так было задумано, так и остается. Мы видим только ребят на сцене, а за каждой стоит ученый. А за ученым — целый институт, возможности и идеи. Школьнки стали в последние годы сильнее, подготовленнее. Хотя лучшие тогда и лучшие сейчас сравнимы. Но больше появилось возможностей найти компоненты для работ, источники информации. Вопрос — наскоько нынешние команды используют ИИ. Сейчас он прекрасно может задать тему, составить сценарий на заданное время, выдаст его по ролям и со ссылками. Мне кажется, лучшие команды этим уже пользуются… Я сам пользуюсь тоже».

Формула команды

Найденный формат все эти годы практически не менялся. Хотя пропорции науки и перфоманса были разными. Одни выходят и зачитывают лекцию о явлении в целом. Другие показывают видеролики о себе или, скажем, городе, откуда приехали. Третьи выводят на сцену целую рок-группу или разыгрывают театральную сценку. Конечно, жюри невозможно подкупить и самой лучшей песней. А вот поводом для острых вопросов она может стать — например, как в этот раз: в каком полушарии происходило действие песни «Арии» «Штиль»? «Наверное, северном? Нет? Ах, да, там был Южный Крест! — хлопает себя по лбу фронтмен одной из сегодняшних команд. — Как раз этот куплет мы решили сократить…»

Что же нужно, чтобы получилась успешная команда? Конечно, талантливый учитель, готовый «впахивать» с детьми сверхурочно ради проекта. Собственно дети — часто бывает, что в школе образуется дружеская команда, которая берется за всё — от спектаклей до видеороликов, и всё получается, просто одни берут скорее актерские роли, другие — технические: считают, паяют, пишут программы… И, конечно, необходим кто-то заинтересованный среди ученых. Самые заинтересованные получаются из ученых-родителей. Например, замдиректора по науке ТРИНИТИ Николай Климов — его сын Владимир учится в Гимназии (5-м отделении), возглавляет команлу «Звездный феникс», в прошлом году они праздновали победу, и отец был счастлив не меньше сына! Бывает, дети вырастают, а руководитель остается — как Михаил Коренский из ЦФП ИОФ РАН и его подопечные, команда «БОГИ» Гимназии им. Пушкова.

А что может помешать «физмарафоновцам», кроме пресловутых ЕГЭ? Время. Никто не учится в школе вечно. Можно собрать команду одноклассников, скрепленных и общими увлечениями, и дружбой, но после выпуска их некем будет заменить. А можно начинать с молодых, которые только узнают азы физики, тогда они будут читать заученные тексты, умилительно путая ударения в терминах. Оптимальный вариант — разновозрастная команда, где младшие могут быть ассистентами или, скажем, отыгрывать роль наивных несмышленышей, которые задают старшим наивные, но полезные для сюжета вопросы в духе «а правда, что энергия не возникает ниоткуда? Ах, как жаль, как жаль…»

Занавес открывается…

Начинается всё с уже привычного светового шоу — танца «роботов» (за роботов по-прежнему вкалывают люди). Полтора месяца назад они же выступали в Троицке на школьной конференции «Зов Вселенной». Дальше — приветствия главы городского Совета депутатов Владимира Дудочкина и бессменного председателя жюри, член-корреспондента РАН, руководителя ТОП ФИАН Андрея Наумова. Вместе с ним в жюри заседают коллеги по троицкой науке — Антон Афанасьев (ИСАН), Анатолий Филиппов (ТРИНИТИ), Сергей Гаврилов (ИЯИ), Арсений Шабанов (ИЯИ), Иван Крылов (ИФТ, он же преподаватель «Байтика») и уже знакомый нам Виктор Сиднев. Дальше — выступления команд, разделенные обеденным перерывом.

Участников на этот раз восемь. Шестеро местных: «Ника» (2-е отделение Лицея), «Ньюштейны» (3-е отделение Лицея), «Звездный феникс» (5-е отделение Гимназии), «Инцидент» (6-е отделение Гимназии) и сразу две из Гимназии им. Пушкова — «БОГИ» и новички «Ландау». И два гостя: соседи из Первомайского «Оптимисты» и братья по духу из наукограда Обнинска «Положительный заряд». Ребята из Первомайского здесь в третий раз, из Обнинска — в седьмой! «Старожилы» конкурса помнят дебют обнинцев: они вынесли на сцену аппарат из… множество газовых горелок, игравших мелодию, как органные трубы. У ведущего округлились глаза — на сцене да открытый огонь! К счастью, обошлось без последствий.

От огня к электричеству

Это был 2015 год. «Мы случайно приехали, — вспоминает преподаватель Физико-технического лицея и бессменный руководитель обнинской команды «Положительный заряд» Юрий Шитков. «Ваш глава города послал приглашение нашему, мы собрались и привезли газовую трубу… Чуть тогда Троицк не спалили. До сих пор у вас вспоминают!»

С тех пор выбирали проекты побезопаснее. Каждый год — испытание, и в то же время удовольствие. «Бывает, красиво всё выглядит в интернете, а когда мы делаем — не работает, хоть ты тресни! Случалось, я менял тему доклада за два дня до фестиваля. Ехать-то надо. В позапрошлом году мы делали разные гироскопы — ничего не получалось, а потом, как домино, начинали работать один за другим…» В школе, где полно олимпиадников, финалистов Всероса, найти энтузиастов в команду несложно. «Мы берем тех, кто хочет руками повозиться, что-то поделать, — замечает преподаватель. — Вы бы видели глаза ребят в мастерской! Сначала ничего не умеет, а потом — и лобзиком, и паять может. Был случай… Обычно, когда установка готова, я оставляю ее на какое-то время — она должна вылежаться. А тут прихожу на следующее утро, говорю: «Давайте запускать». А они с виноватым видом: «А мы уже запустили!» «Без меня?! И что, работает?» «Работает!»

«Я участвую пять лет, с седьмого класса, — говорит 11-классница Арина Лужецкая. — Каждый год по-своему запомнился. Мы узнавали новые темы, и появлялись новые проекты. В восьмом классе это была оптика, доступная для восьмого класса, в девятом — механика, в 10-м — статика, в этом году решили «залезть» в электричество». Арина участвует в олимпиадах, она трижды призер Всероса по химии, но и на этот турнир у нее находится время. «Начинали еще осенью, потихоньку собирали установки, углублялись в теорию, — вспоминает она. — За месяц начиналась активная подготовка, в последнюю неделю собирались каждый день!» На сцене они показали серию экспериментов на тему электрических разрядов: «лестница Якова», электрическая дуга, которая поднимается вверх по V-образным электродам (напряжение — около 10 кВт!), генератор Маркса (девять параллельно соединенных конденсаторов по 5 кВ, когда они заряжаются, происходит пробив, и напряжение умножается в девять раз). «Единственное устройство, в котором КЗ — не баг, а фича!» — произносит со сцены Арина. Самое хитрое — капельница Кельвина, две банки, в которые льются струйки воды. Один из ребят почти всё выступление провел под этими банками, стараясь, чтобы устройство заработало, но издалека из зала было трудно понять, есть разряд или нет. «А что получится, если между двумя электродами в лестнице Якова поставить незакрепленную проволочку?» — интересуется жюри в лице Виктора Сиднева. «Ответ неправильный… Будет пушка! По сути, вы продемонстрировали рельсотрон».

От паруса до Малюса

«Что это за трубы на корабле?» — начинает свое выступление команда «Ника». «Это не трубы! Это турбопарус Флеттера!» Кто-то из ребят нашел фото из путешествия в Швеции. В городской гавани стоял редкий по конструкции корабль E-Ship, оснащенный роторным парусом, основанным на эффекте Магнуса: на вращающийся объект действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Другое такое судно — «Алкиона», на котором путешествовал Жак-Ив Кусто. А школьники сделали настольную модель, которая и вправду поехала под напором воздуха из вентилятора. Зал аплодирует! А хитрое жюри задает вопрос — в каком виде спорта используется этот эффект. «Подсказка — снаряд должен быть легким». (Молчание.) «И он должен летать». (Задумчивость.) «От игрока к игроку…» «А! Настольный теннис!»

Команда «Инцидент» — новички. В их школе раньше был другой «физмарафоновский» проект — «Сириус», потом какое-то время он не участвовал, и для дебюта нужно было выбирать что-то простое. Участник команды Роман Филиппов — увлеченный фотограф, поэтому выбрали поляризацию. Рассказали про закон Малюса (зависимость интенсивности поляризации от угла наклона фильтра). Изготовили пару фильтров большого размера, взяли фонарик и показывали наглядно эффекты, знакомые не только фотографам, но и, скажем, рыбакам, которые «убирают» поляризационными очками отраженный от воды свет, чтобы увидеть то, что под водой. «А бывают ли поляризованные звуковые волны? — спрашивают эксперты. — Что ж, это вам задание на дом…»

«Оптимисты» из школы № 1391 (поселок Первомайское, Новая Москва) — хороший пример того, как новички постепенно растут в общем «силовом поле». В первый раз они привезли на конкурс игру-викторину, где нужно замыкать контакты, типа тех, что были в докомпьютерном детстве их отцов и дедушек. Теперь — целый «Квантовый генератор истинно случайных чисел». «Генератор построен на квантовых флуктуациях фотонов» — рассказывают ребята. Суть: луч лазера делится на два потока, их принимают фотодиоды, компьютер сравнивает, где сигнал больше, и дописывает к двоичному числу «0» или «1». У школы рядом нет института, зато есть ДК, а там — фольклорная студия, поэтому перфоманс дополняет игра на балалайке, песня под гитару и даже немножко «квантового» рэпа. «Идея правильная, и это отличный генератор случайных чисел, но он не квантовый, — заметил Андрей Наумов. — Проверить это просто — если вы выключите лазер, будет ли ваш генератор выдавать числа? Если будет, то вы измеряете шум оборудования».

«Звездный феникс» из 5-го отделения Гимназии — победители сезона-2024. Они умеют выбирать нешаблонные темы, без искр, света и взрывов, но тоже визуально интересные. В прошлом году успех им принес проект «Фигуры Хладни» (визуализация стоячих звуковых волн). В этот раз они решили показать и вовсе неосязаемое: туман. Точнее, аэрозоль и то, как действует на него электростатика. Несколько оборотов рычага электрофорной машины, и туман в одной из половин установки исчезает.

Команда «Ландау» — новички. В прошлом году Гимназия им. Пушкова расширилась, переехала в новое больше здание, и в ней появился второй участник «Физмарафона». Новый школьный учитель Роман Комиссаров любит играть на гитаре и решил с учениками собрать звукосниматель. Кажется просто, а на деле получилось лишь с третьей попытки. В первой корпус, сделанный по-современному, на 3D-принтере, стал плавиться при пайке. Во второй подбор проволоки оказался неудачным. Наконец, удачные варианты — по 6,5 тысячи витков проволоки 0,06 мм, всё мотали сами. Учитель берет в руки гитару, раздаются звуки в духе ранней «Гражданской обороны»… Но главное — звучит!

Трудности термояда и «зиганшин-эффект»

Вторая «физмарафоновская» команда Гимназии им. Пушкова уже 15 лет несет гордое название «БОГИ». Расшифровывается это как Безумные Организаторы Гениальных Идей, и затеи у них обычно под стать: вот пару лет назад команда презентовала проект ЕРУНДА (Единственный Русский Универсальный Необходимый Дешевый Аппарат). Что же это было? Катушка Тесла. В этом году пушковцы выбрали ни много не мало… термоядерный реактор. «Кто-то прибежал с идеей: «Давайте сделаем термоядерный синтез!» «О, это ж круто, давай!» Судьба проекта ИТЭР, который делает весь мир, и который всё еще далек от результата, школьников не смутила. «Почему мы не сможем быть первыми!» Но когда пушковцы побывали на экскурсии в ИОФ РАН (головной институт их научных шефов из ЦФП ИОФ РАН), где есть действующий экспериментальный реактор типа стелларатора, поняли — такой масштаб им не по силам. «Тогда давайте просто сделаем плазму!» — решили они.

«Так все проекты у нас и получаются, — говорит Тимофей Исаев. — Хотим сделать что-то одно, к Новому году, как правило, понимаем, что не получается, но на основе этой идеи мы можем делать что-то другое». Получилась «Во! Банка» — колба с электродами, из ней откачивают воздух до достижимых в школьных условиях 100 миллибар, включают, потом докачивают гелий-неоновую смесь и показывают, как меняется цвет излучения. И не просто на вид — а еще спектры померили, в чём помог институт. Для Тимофея и его друзей этот «Физмарафон» — последний, они уже в 11-м классе. «Собираться в компании, за чашкой чая обсуждать новые вещи — этого будет очень не хватать», — говорит Исаев. Он поступает в Бауманку на ракетостроение, «Шаг в науку» напрямую на этот выбор не повлиял, но научил связи теории с практикой. «Сейчас я понимаю, что в жизни всё не так, как в теории, и, когда приду в институт, мне с этим опытом будет гораздо проще адаптироваться», — замечает школьник.

«А что будет, если вообще всё откачать? Будет ли свечение» — спрашивает Виктор Сиднев. «Нет…» — задумываются школьники. «Будет! В 1960-е годы это называлось «зиганшин-эффект». Вы, наверное, слышали про полярников, которые дрейфовали на льдине, и Зиганшину пришлось съесть свои сапоги. А плазма «ест» электроды, потому что больше нечего».

Победители лженауки

Обойдем пока стороной еще одно выступление и дождемся вердикта жюри. Пока эксперты раздумывают, конкурсантов развлекает «научное шоу». Карикатурный образ «безумного профессора» достаточно растиражирован и убедителен, но именно как шоу, а вот представить, что громкие вопли и яркие визуальные эффекты кого-то убедят пойти в науку, довольно сложно. Хотя этих ребят уже и не надо убеждать, а выступление «профессора» хорошо как способ отвлечься от напряженного ожидания результатов. Поочередно ведущий вызывает на сцену команды… Третье место — «БОГИ». Второе — прошлогодние победители, «Звездный феникс». И на первом месте теперь уже семикратные победители «Физмарафона» — «Ньюштейны» из Лицея с проектом «Парадоксальные двигатели».

Подобно бронзовым призерам, победители тоже начали путь с ошибочной гипотезы. «Последние лет пять мы реализовывали задумки из числа тех, что рассматривали раньше, но откладывали в пользу более удачных, — рассказывает учитель физики Лицея Диана Ивашкина. — А в этом году проект предложили сами ребята». «Искали идеи во всех источниках — в интернете, в литературе, в голове! — рассказывает 10-классница Юлиана Репеева. — Нашли тему, в которой скучно делать одно большое устройство, решили собрать много маленьких. Постарались всё отладить, сделать красивые экспонаты, как следует разобраться в теме и хорошо обо всём рассказать. Всё получилось!».

Началось всё с того, что школьники увидели ролик с «поршневым магнитным двигателем», который создал турецкий изобретатель Муаммар Йылдыз. Но не досмотрели ролик до конца — там объяснялось, что сделать его невозможно. Заинтересовались, стали собирать подобные ролики по Сети. Оказалось, 95% — типичные «перпетуум мобиле» и в действительности не работают. Но есть и настоящие. За них и взялись. И заодно собрали пару «вечных двигателей», чтобы показать, что с ними не так. И настоящие — которые реально крутятся. Взять, например, велосипедное колесо, натянуть вместо спиц резинки (в данном случае — длинные воздушные шарики), посветить на эту конструкцию лампой накаливания — и колесо крутится! Правда, иногда делая паузы, но всегда возобновляя ход. Почему? «При нагревании резина сжимается, центр тяжести колеса смещается, и оно немного поворачивается под действием силы тяжести, — рассказывает Юлия Репеева. — Нагреваются уже другие резинки, и колесо вращается. В тепловизоре измерили — 44 градуса». Тепловизор, кстати, принес научный руководитель проекта Владимир Решетов (ТИСНУМ). Удалось измерить и КПД устройства — около 0,00001%! Конечно, мало пользы на практике, зато прекрасная тема для научного поиска. Другой двигатель, с подшипником под напряжением внутри, поэффективнее — 0,05%. Как он работает, до конца непонятно, гипотеза — из-за неравномерного нагрева шариков и изменения их формы. Общение с жюри на этот раз было непохоже на обычные вопросы-ответы: ученые сами увлеклись темой и пытались разобраться, как же работает эта штуковина. Так долго, что ведущему оставалось только вздыхать о соблюдении регламента…

* * *

«Просто мне интересно!» — говорит Виктор Сиднев, один из самых активных членов жюри. «Своими вопросами я хочу показать, что физика — это не только та узкая история, которой они заниматся, что на явления надо смотреть мультипредметно. Я с этим столкнулся еще на первом курсе, когда у нас читал лекции молодой академек Сагдеев. Он нам говорил про механику, про столкновение шаров, а потом этак отошел от доски, посмотрел и сказал: «Вот именно так и сталкиваются галактики во Вселенной». И я в первый раз увидел, что для большого ученого нет разницы между разделами физики и не только, что для него мир един».

Владимир Миловидов
Фото автора