Сетевая библиотекаСетевая библиотека

Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами
Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами Крис Вудфорд В этой книге ученый и популяризатор науки Крис Вудфорд занимательно рассказывает, какие научные объяснения стоят за обыденными и на первый взгляд очевидными явлениями. Сколько весит дом и почему он не проваливается под землю? Почему не падают небоскребы? Какой длины рычаг нужен, чтобы поднять Землю? После прочтения этой книги повседневные вещи никогда не станут для вас прежними. На русском языке публикуется впервые. Крис Вудфорд Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами Информация от издательства Научный редактор Азат Гизатуллин Издано с разрешения Bloomsbury Publishers PLC и литературного агентства Andrew Nurnberg Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав. © Chris Woodford, 2015 © Перевод, издание на русском языке, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2017 * * * Введение Как вы считаете, много ли у вас общего с великим ученым Альбертом Эйнштейном – родившимся в Германии гением, автором идей, достойных Флэша Гордона[1 - Флэш Гордон – вымышленный персонаж одноименного научно-фантастического комикса, впервые появившийся в «Стрипе» 7 января 1934 года. Создан художником Алексом Рэймондом. Позже о данном персонаже на основе комиксовых историй был создан ряд теле- и мультсериалов, полнометражных фильмов и мультфильмов, романов, радиоспектаклей и компьютерных игр. Прим. перев.], среди которых – атомная бомба и солнечная энергия? Скорее всего, вы с ходу ответите: «Нет, немного». А я вас удивлю. Ваша ДНК на 99,9 % совпадает с ДНК Эйнштейна (а еще на 90 % с ДНК шимпанзе и на 50 % с ДНК банана, но эти не слишком приятные подробности можно не учитывать). Вы ненавидели школу? Эйнштейн тоже. Он был очень способным учеником, но бросил школу в выпускном классе – правда, через год продолжил обучение в техническом училище. Вы проваливались на важных экзаменах? И Эйнштейн провалился на вступительных экзаменах в Цюрихский политехнический институт, хотя проявлял блестящие таланты в математике и физике. Он снова вынужден был отложить обучение. Вам было трудно получить желанную работу? Эйнштейн бы вам посочувствовал: по окончании института он безуспешно отправлял заявления на разные преподавательские и научные должности, даже хотел стать страховым агентом, чтобы содержать семью, и в конце концов получил скучнейшую работу в патентном бюро. Один из самых выдающихся и неординарных ученых XX века во многом был таким же неудачником, как и мы с вами[2 - Детали биографии Эйнштейна я позаимствовал из широко известной и популярной биографии ученого: Айзексон У. Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная. М.: АСТ, Corpus, 2015. В ней описаны и уход Эйнштейна из старшей средней школы, и провал на экзаменах в политехнический колледж, и попытки трудоустройства.]. Мы восхищаемся Эйнштейном не потому, что он безмерно талантлив, а потому, что он гений с присущими человеку недостатками. Он был достаточно умен, чтобы знать всё, и в то же время достаточно мудр для того, чтобы не знать ничего. Благодаря его неровным и рваным каракулям на доске человек проник в миры материи, энергии, света и гравитации – узнал фундаментальные научные концепции, которые стали частью удивительной теории относительности, показавшей эластичность времени и пространства. При этом Эйнштейн понял, что наука – это, по существу, просто другой взгляд на мир, а научные идеи, оторванные от радостей и горестей повседневной жизни, мало что значат для большинства из нас. «Сила притяжения, – мудро сказал он однажды, – никак не связана с тем, что нас притягивает к себе любовь». Наука была для Эйнштейна всей жизнью. Но она, скорее всего, не стала таковой для вас. Вы можете прожить и три, и десять лет, ни разу не задумавшись о ней. Но вы не проживете и долю секунды без использования науки. Она обеспечивает появление новых технологий – от интернета до теплосберегающих окон, от сканирования мозга до ультразвукового исследования плода, – которые делают нашу жизнь всё более осмысленной и совершенной. Бытовые явления часто ставят нас в тупик, хотя каждый из нас много лет изучал разные науки в школе. Последние опросы показывают, что 80–90 % респондентов «испытывают к науке интерес» и признают ее важность. При этом 30–60 % считают современную науку слишком узкоспециализированной и непонятной, а две трети 14-летних подростков – «неинтересной». Мы путаем понятия озонового слоя и глобальных климатических изменений. Мы думаем, что атомная энергия гораздо более опасна, чем переход через улицу. 70 % из нас полагают, что СМИ раздувают из науки сенсацию на ровном месте, но 86 % людей черпают информацию о ее развитии как раз из этих ненадежных источников[3 - Статистика приведена здесь по результатам опросов, проведенных и в США, и в Великобритании. Источники – на моем сайте (http://www.chriswoodford.com/atoms.html).]. Цель этой книги как раз в том, чтобы помочь читателю правильно понять окружающий мир, объяснив научные явления в жизни интересным и доступным языком. Пропутешествовав с ней по своему дому, вы найдете удивительные и увлекательные научные объяснения тому, с чем вы сталкиваетесь каждый день: от булькающих труб и скрипящих полов до заварного крема и блестящих ботинок. Сделаю важную оговорку. Эта книга – не для ученых, поэтому я использовал минимум детальных пояснений, формул и чертежей. По возможности я избегал математики. Вы найдете в тексте много ссылок на пояснения в разделе «Примечания». Почему упасть с переносной лестницы так же опасно, как попасть в зубы крокодила? Как лучше строить небоскребы – как желеобразные подвижные структуры или как пирамиду из шоколадного печенья? Сколько атомов нужно расщепить, чтобы зажечь электрическую лампочку? Правильно ли с научной точки зрения вы размешиваете чай? В ответах на эти вопросы нет ничего сверхсложного или озадачивающего; в конце концов, это же не ракетостроение (даже если именно ракетами вы и интересуетесь). В книге мало математики, и вам не будет слишком трудно или скучно. Чтобы понять, о чем здесь идет речь, не обязательно быть Эйнштейном. Я тоже не Эйнштейн, но читал некоторые из его оригинальных работ и в удивлении почесывал голову над его изящными уравнениями. На мой взгляд, одна из самых глубоких и искренних его мыслей была высказана в одном простом предложении, которое может понять каждый: «Вся наука является не чем иным, как усовершенствованием повседневного мышления». О последнем и пойдет речь в этой книге. Если угодно, это наука для всех нас. Глава 1. Прочные основания Есть много дел, которые подвластны только человеку: написание романов, создание живописных портретов, молниеносное касание клавиш фортепьяно при исполнении сонат Бетховена. Но строительство не относится к уникальным человеческим дарованиям. Никто не отрицает, что архитекторы создают одни из самых заметных продуктов человеческой деятельности. Но суть их искусства – проектирование укрытий для человека, которые не может разрушить сила земного тяготения, – близко к тому, что делают и другие представители животного мира. Строительством укрытий – от снежных берлог медведя-гризли до сложных плотин, возводимых бобрами для регулирования скорости водных потоков, – занимаются почти все виды животных на Земле. Что отличает человека от других строителей? Мы создаем небоскребы 400 м высотой и ангары для сборки гигантских ракет. Человечество гордится каменными пирамидами, которые молчаливо и величественно стоят вот уже 5000 лет. Каждый из нас хоть раз пытался построить карточный домик, который рассыпался за несколько секунд. Мы построили офисные здания, в каждом из которых 50 000 человек одновременно могут стучать по клавишам компьютера или обмениваться шутками у диспенсера с водой. И у нас есть мобильные телефоны, достаточно миниатюрные, но таящие в себе большие секреты. И всё же, несмотря на творческие хитрости и оригинальность наших архитектурных творений, которые мы так тщательно проектируем и возводим, по сути они принципиально не отличаются от убежищ, которые строят для себя животные из веток и глины. Дело в том, что все здания – это убежища; а все убежища – как человека, так и животных – имеют нечто общее: строители применяют фундаментальные научные законы, чтобы побеждать в борьбе с силой земного тяготения, ветром, землетрясениями и старением. Надежен, как дом? Возможно, вы не доверяете каждому встречному. Но вы почти всегда убеждены в прочности любого здания, в которое входите. Крайне редко вас посещает мысль: «А оно не развалится?» Люди внушают доверие иногда, а здания – всегда. Немногие из нас живут дольше 90 лет, но многие из существующих в мире архитектурных объектов стоят в 100 раз дольше. Мы говорим: «Надежен, как дом», – веря, что мало что на Земле может быть надежнее. В ночных кошмарах нас часто посещают видения о том, как мы куда-то падаем. Но, если вы не живете на скользком склоне горы или в особо опасной сейсмической зоне в Тихом океане, вы имеет огромный шанс проснуться – благодаря вашему замечательному дому – именно там, где вчера пожелали спокойной ночи своим близким. Наша уверенность в прочности зданий может быть твердой, как сталь. И в ее основе лежат впечатляющие научные законы и открытия. Но внешне незыблемая природа наших домов, офисных центров и других сооружений порой весьма обманчива. За нашей уверенностью в их устойчивости стоит реальная действительность: они ведут невидимую, но постоянную войну с силами гравитации, давления ветра и сотрясений почвы. Кажущиеся устойчивыми здания пребывают в состоянии постоянно меняющегося равновесия. В большинстве случаев оно выглядит как взаимная компенсация противоположными силами друг друга. Здания никуда не двигаются (ни быстро, ни медленно), потому что силы, пытающиеся их опрокинуть, и силы, удерживающие их в одном положении, находятся в состоянии абсолютного равновесия. И на самом деле трудностей тут гораздо больше, чем нам кажется. Они проявляются внешне только в тех редких случаях, когда гигантские сооружения внезапно падают. Многие ли из нас хотя бы когда-нибудь давали себе труд, несясь на лифте в офисном конгломерате, представить себе хотя бы на секунду все миллионы тонн стали, бетона и стекла, которые нависают над нашими головами, и то, что может произойти, если они в какой-то момент свалятся на нас? Тот факт, что здания разрушаются редко, лишний раз доказывает оправданность нашей веры в науку. Насколько напряженно трудятся здания? По научному определению сила – механическое воздействие на предмет, заставляющее его двигаться в определенном направлении. Удар ногой по мячу, переноска мешка с картошкой в багажник автомобиля, откусывание куска шоколадки и забивание гвоздей в стену – типичные примеры применения силы в быту. Сила, которая доминирует в нашей жизни и которая никому из нас не удается избежать, – это сила гравитации, в нашем случае – земного притяжения. Это сила, с которой притягивает к себе Земля, имеющая массу 6 000 000 000 000 000 000 000 000 кг (6 септиллионов килограммов), всё, что находится поблизости от нее. Сила гравитации создает вес – нашу повседневную весомость, которую мы умудряемся почти не замечать, если не озабочены проблемами похудения. Если вы типичный взрослый мужчина, масса вашего тела должна быть где-то в пределах 75 кг. Вы ее даже не замечаете – разве что если представите себе, как носите ее в руках целый день. Вы бегаете вверх и вниз по ступенькам или трусцой, прыгаете, танцуете зажигательную латиноамериканскую сальсу, по сути держа 75-кг пачку сахара на своих коленях. Звучит пугающе, пока вы не возьмете карандаш и не произведете кое-какие подсчеты. Конечно, толщина коленей важна: пара крепких стволов деревьев будет держать ваш вес лучше, чем два карандаша. Я только что обмерил свои колени и выяснил, что окружность каждого составляет 22 см. Соответственно, площадь одной моей коленки (если представить ее себе в виде круга после мысленного сканирования моей ноги) составляет где-то порядка 40 см?. Для удобства отвлечемся от реального строения человеческого тела – тканей, костей и того, как это всё подарочно упаковано в кожу, – и представим себе, что наши ноги – массивные стержни вроде стволов деревьев. Если я вешу 75 кг, то давление на обе мои ноги будет равно силе, давящей на них, деленной на площадь, на которую воздействует эта сила. Это примерно равно атмосферному давлению (давлению воздуха на всё, что нас окружает). Выходит около 1 кг на 1 см?, и это примерно половина обычного давления в шинах автомобиля. Или, более наглядно, 7 кг сахарного песка на площадь почтовой марки (когда в следующий раз вы увидите кого-то, хромающего на распухших коленках, то поймете причину). Понятно, что нагрузка на каждую мою коленку – только половина моего веса, и это не так уж плохо. Всё зависит и от того, на чем я стою. Стопа за счет своего размера распределяет этот вес на большую площадь и снижает давление нашего тела на то, что лежит под нами. Асфальт или бетон легко выдерживают вес человека. Мягкий снег или мокрый песок на берегу могут просесть на несколько сантиметров, и на нем останутся наши следы, на которые так весело оглядываться. Зато в грязь или мягкий грунт наши ноги сразу провалятся по щиколотку. Что можно сравнить со зданием? У домов, конечно, коленей нет: весь вес здания и всего, что внутри, не покоится на двух относительно тонких колоннах в его основании. Большинство домов (и сооружений в целом) возводятся как прямые конструкции, перпендикулярные плоскости земли, поэтому чаще всего в разрезе они имеют примерно одинаковую площадь по всей высоте. Небоскребам вроде Эмпайр-стейт-билдинг часто для пущей устойчивости придают конусообразную форму: основания шире последующих этажей, и всё здание сужается кверху. Как можно сравнить приведенные выше показатели с показателями Эмпайр-стейт-билдинг? Вы можете ожидать, что это 102-этажное здание высотой 380 м с колоссальной силой воздействует на свое основание. Так и есть. Но, как и в случае с нашим телом, главное здесь – не сила, а давление, определяемое площадью, на которую воздействует эта сила. Площадь основания Эмпайр-стейт-билдинг составляет примерно 8000 м?, а общая масса здания оценивается в 330 000 т. Столько же весят 4,5 млн человек, или население всего города Калькутта в Индии[4 - Данные по поводу высотного здания взяты с официального сайта Эмпайр-стейт-билдинг 29 октября 2013 года. 340 000 т – это 340 млн кг, что равно общей массе 4,5 млн людей со средней массой 7 кг. Это всё население Калькутты (по данным Википедии) на 2011 год.]. Что примечательно, благодаря большой площади пятна застройки этот вес оказывает на почву давление всего лишь в четыре раза больше атмосферного[5 - Более точно – 412 500 паскалей (Па).]. Конечно, здесь необходимо внести корректировки: здание, как правило, не является монолитным блоком, стоящим на основании. В простейшем случае это некоторые объемы или пустоты, которые покоятся на опорах, установленных по периметру фундамента. Но давайте не углубляться в технические детали того, что поддерживает здание. Допустим, что 10 % его «отпечатка» на земле – это стены, а остальное – пустое пространство. Тогда показатель давления здания на землю нужно увеличить примерно в 10 раз, и он составит приблизительно 40 атмосфер[6 - Это примерно 4 млн Па.]. Звучит очень солидно. Неудивительно, поскольку мы говорим об одном из самых больших, высоких и тяжелых зданий в мире. Попробуем теперь понять, какое давление на землю оказывает обычный жилой дом. Нам, конечно, необходимо знать, сколько он весит, но вычислить это не так-то легко. Пролистывая архивные подшивки журнала «Популярная механика» (Popular Mechanics), я нашел статью за 1956 год, в которой масса среднего жилого дома оценивалась в 122 т[7 - Hayes L. et al. The Latest from Paris: An All-Plastic House // Popular Mechanics. 1956. August. Р. 89.]. Несколько лет назад колумнист газеты Sеattle Times Дэррел Хэй оценил массу типичного американского жилого дома в 160 т[8 - Hay D. What Does a House Weigh? Some Mental Heavy Lifting // Seattle Times. 2004. December 19. Ссылка – на моем сайте (http://www.chriswoodford.com/atoms.html).]. Сделаем допущение в большую сторону и будем считать, что масса такого дома составляет 200 т, если прибавить и весь тот хлам, который будет находиться внутри. Это солидно. Взрослый слон весит 5–7 т, так что речь примерно о 30–40 слонах, которые расплющивают ваш дом. Если площадь его застройки представляет собой квадрат со стороной в 10 м и, как и раньше, мы предположим, что основную часть нагрузки несут стены, мы вычислим, что дом давит на участок под ним с силой, равной примерно двукратному атмосферному давлению – или вдвое больше веса, который должны выдерживать ваши ноги. Так что, как ни удивительно, ваши хилые коленки испытывают на себе давление вдвое меньшее, чем стены дома. Почему дома не уходят под землю? Это вопрос из разряда тех, которыми дети всё время донимают взрослых. Как ни странно, многие из нас вполне довольны своим ответом вроде «потому что у дома есть фундамент». Но очень часто он не помогает отделаться от любознательного семилетнего мальчугана, который, скорее всего, задаст следующий вопрос: «А почему тогда не уходят под землю фундаменты?» Тот факт, что в абсолютном большинстве случаев дома остаются стоять именно там, где их построили, показывает нам нечто очень важное с точки зрения взаимодействия действующих на них сил: эти силы бывают двух видов. Есть статические (которые объясняют неподвижность домов и сооружений) и динамические (которые объясняют, почему скейтборды и ракеты движутся). А правильно понял законы их взаимодействия мрачноватый английский математик с переменчивым характером, чье имя слышал всякий и которого многие считают величайшим ученым в истории человечества: сэр Исаак Ньютон. Это закон природы! Из всех идей, которыми Ньютон обогатил современную физику, лучшие и гениальные касаются взаимодействия различных сил. А самые простые и фундаментальные изложены в трех уравнениях, которые называются законами движения. Первая из них (она же первый закон Ньютона) утверждает, что объект находится в состоянии покоя до тех пор, пока на него не начнет действовать какая-то сила. Этот закон следует помнить, когда вы забываете, куда положили ключи от машины или очки: вещи сами по себе не двигаются. Второй закон Ньютона рассказывает, что происходит с объектами, когда к ним прикладывается сила, заставляющая их двигаться. Вы бьете ногой по мячу (прикладываете к нему силу), и он взмывает в воздух, приобретая ускорение. Третий закон во многих смыслах самый интересный. Он гласит, что, когда на объект действует какая-нибудь сила, ей противодействует точно такая же по величине сила. Часто этот закон записывается в такой форме: «Все тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению»[9 - Если вам интересно, почему вообще происходит движение, стоит вспомнить о действии и противодействии. Если вы стреляете из ружья, то действие – сила, толкающая пулю вперед. Противодействие – отдача, толкающая ружье в противоположном направлении. Действие двигает пулю, противодействие – само ружье.]. Как это применимо к зданиям? В случае небоскреба, который высится всей своей громадой в центре города и никуда не двигается, первый и второй законы Ньютона позволяют сделать вывод, что на него не воздействуют никакие силы. Первый закон гласит, что на тела в состоянии покоя никакие силы не действуют. Второй утверждает, что тело начинает двигаться только под действием каких-то сил. Вместе оба закона позволяют сделать вывод, что небоскреб остается в состоянии покоя, потому что на него не действуют никакие силы. Но мы знаем, что гравитация – сила земного притяжения – воздействует на здание постоянно. Если Ньютон был прав, то мы можем сказать, что все здания должны были бы под воздействием гравитации всё время «вгрызаться» в Землю. Хотя бы до того времени, пока их не растопит в кипящий суп чудовищный жар ядра нашей планеты. Так почему этого не случается? Когда сила земного тяготения действует на тело строго вертикально вниз, земля с такой же силой противодействия выталкивает здание вверх. Две силы компенсируют друг друга, и здание никуда не двигается. Почему же его фундамент не уходит в землю? Потому что земля выталкивает его наверх. Даже самые высокие и тяжелые небоскребы редко дают усадку сверх допустимой. Многие из них покоятся на сваях, забитых глубоко в грунт. Эти сваи обычно либо достигают прочных скальных слоев, либо удерживаются на месте за счет высокой силы трения между их поверхностью и грунтом. Движение возникает только тогда, когда противоположные силы перестают компенсировать друг друга. Если здание начинает «плыть» в мягком грунте, то, с точки зрения физики, объясняется это тем, что он не создает достаточной противодействующей силы, которая удерживала бы здание от ухода под землю. Излишек силы, которая действует по направлению вниз (разница между весом здания и выталкивающей его вверх силой), и создает то движение, которое обеспечивает «усадку». Откуда появляются эти силы? Если фундаменты не предотвращают падение зданий, откуда берутся силы, которые не дают им уйти под землю? Всё в мире построено из примерно 100 разных видов атомов – кирпичиков конструктора жизни, которые мы знаем как химические элементы (например, железо, серебро, углерод и кислород). Группы атомов составляют более крупные структуры, называемые молекулами: например, два атома водорода и один атом кислорода образуют молекулу воды (Н О). Большинство сил, с которыми мы встречаемся каждый день, возникают между атомами, внутри молекул или между молекулами. Об атомах и молекулах будет больше рассказано в следующих главах, а сейчас вкратце рассмотрим, как они могут создавать силы внутри зданий. Как атомы противодействуют атаке Представьте себе, что вы строите дом на огромном куске железа. Он состоит из атомов железа, выстроенных в очень жесткую структуру, подобную той, которая получилась бы, если бы мы плотно подгоняли сотни мраморных шариков один к одному в коробке. Каждый атом похож на шарик. Внутри него обычно заключено пустое пространство, но, как в большинстве сладостей, самое интересное начинается ближе к центру. На границах атомов есть «мягкие» облака электронов с отрицательным электрическим зарядом (как нижний конец батарейки). В центре атома расположено ядро, состоящее из очень плотно взаимосвязанных протонов и нейтронов и имеющее положительный заряд (как верх батарейки). Отрицательно и положительно заряженные части атомов не дают им слишком близко подойти друг к другу. Вы не можете сколь-нибудь заметно сжать кусок железа, потому что отрицательно заряженное электронное облако одного атома не может существовать вблизи такого же облака другого атома. Атомы взаимно отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные полюса магнита. Чем ближе вы придвигаете атомы друг к другу, тем труднее их сжать. Атомы под вашими ногами Если вы построите дом на огромной железной плите, то немного сблизите его атомы друг с другом, но лишь настолько, насколько они позволят. В этот момент вес вашего дома, давящий вниз, будет компенсирован противоположной силой, которая возникает между атомами и действует по направлению вверх. Мы обычно не строим дома на железных плитах, но тот же принцип действует и в случаях скального грунта, почвы и других жестких оснований. Вы можете уплотнить почву, поскольку она состоит из частиц, между которыми есть небольшие «карманчики» воздуха. Вы можете сжать песок, потому что «цепкие» песчинки способны двигаться друг относительно друга. Однако настанет момент, когда земля будет максимально уплотнена и «сжать» ее еще больше не получится. Дальшейшие попытки уплотнить ее – сизифов труд. Другие виды сил (имеющие отношение к электричеству, магнетизму или ядерной энергии) тоже возникают внутри атомов. ? Четыре способа, которыми атомы помогают удержать здание от разрушения. 1. Атомы в фундаменте отталкиваются от атомов в почве или скальном грунте. 2. Атомы в фундаменте по периметру здания сопротивляются «скольжению» мимо атомов почвы. Дом как будто «подвисает» в почве благодаря силе трения. 3. Верхняя часть поперечных балок слегка сжимается под весом, который на нее воздействует, но атомы внутри нее сопротивляются излишнему сближению. 4. Нижняя часть поперечных балок несколько выгибается от напряжения, но прочные атомные связи внутри них не позволяют им слишком отдаляться друг от друга. Каждый материал сжимается под действием сил на него, даже если сжатие микроскопическое и сопоставимо с диаметрами нескольких атомов. Интересно, что высотное офисное здание в центре города выше на микроскопическую величину ночью, когда оно пустое, чем днем, когда в нем находятся тысячи людей, вес которых добавляется к весу здания и вместе с ней давит вниз на основание. Насколько короче может быть здание днем? Для обычного небоскреба около 400 м высотой с примерно 50 000 людей внутри сжатие может составить порядка 1,5 мм[10 - Для каждого строительного материала существует показатель, называемый модулем Юнга (Е), который показывает, насколько материал прочен или упруг. Он рассчитывается путем деления давления на поверхность материала (силы, которую вы прикладываете к единице площади) на удлинение материала (насколько длиннее он становится по сравнению с первоначальным состоянием). В качестве примера я взял прочный строительный бетон, из которого состоит примерно десятая часть офисного здания, где я работаю. Я также сделал допущение, что все люди, находящиеся в нем, стоят на крыше здания, оказывая равномерное давление на него по всей его высоте. На самом деле сила сжатия внизу здания всегда больше, чем наверху.]. Почему разрушаются дома? Прочное основание крепко поддерживает ваш дом, но не всегда обеспечивает его полную устойчивость. Представьте себе простейший дом, который вы можете построить: из уложенных друг на друга камней или плотно утрамбованного песка на пляже. На этих примерах легко увидеть, как различные силы удерживают вместе разные вещи. Обычный дом – целый набор материалов, каждый из которых обладает собственным весом в результате гравитации – силы, которая действует на него вертикально вниз. Иными словами, дом в основном стоит за счет сил сжатия, которые вжимают стены в землю, а атомы земли выталкивают сооружение вверх. В доме не могут быть одни только стены. Между ними много связующих элементов: балок, полов, обрешетки крыши и т. д. Все эти горизонтальные структуры испытывают напряжение (под которым их нижние части выгибаются) и сжатие (под которым их верхние части сгибаются) и передают свой вес и другую нагрузку на стены, придавая дому большую жесткость. Многие здания и сооружения стоят десятилетиями и даже столетиями, потому что применяемые при их строительстве материалы – дерево, камень и бетон – чрезвычайно прочны на сжатие. Это их свойство хорошо иллюстрируется конструкторами Lego, где используются плотно соединяемые пластиковые «кирпичики». Конструктор способен выдержать вес 375 000 таких кирпичиков, поставленных друг на друга. При этом высота конструкции может достичь 3,5 км. С точки зрения понятий силы каждый маленький строительный блок Lego может выдержать давление массы в 350 кг (вес в примерно 3500 Н)[11 - В разговорном русском языке принято говорить, например, «Вася весит 75 кг», «лишний вес» и т. п., и в этой книге для простоты изложения часто используются те же конструкции. Хотя, если придерживаться строгой научной терминологии, речь все же идет о массе (то есть Васина масса составляет 75 кг). Вес же (если речь о теле, находящемся в состоянии покоя) – произведение массы на ускорение свободного падения (g), на Земле равное 9,81 м/с?. Для простоты расчетов в этой книге значение g округлено до 10. Иными словами, вес Васи, масса которого составляет 75 кг, будет равен 750 кг ? м/с?, или 750 ньютонов (Н). Прим. ред.], то есть вес 4–5 человек[12 - Инфракрасное излучение имеет длину волны больше 740 нм (граница видимого красного цвета). Прим. науч. ред.]. «Да, впечатляет», – подумаете вы, если только не наступили случайно на один из таких «кирпичиков» голой ногой, убирая конструктор за малышом. Признаки слабости Здания падают по разным причинам, но в основе лежит одна: какой-то разрушительный фактор создает силу, большую, чем та, что связывает строение. Пожары так поражают конструкцию зданий потому, что огонь прежде всего разрушает деревянные несущие балки полов, обрешетку крыш и даже (при очень высоких температурах) стальные конструкции. Вес самих перекрытий и нагрузка, которую они несут, становится непосильной, и рушится прежде всего внутренняя конструкция здания. Внешние стены относительно редко разваливаются в результате пожаров, но сильно страдают от падающих вниз тяжелых фрагментов кровли. Часть несущей балки обычно падает первой и какое-то время свисает. Когда следом отрывается вторая часть, возникает эффект рычага, и балка с огромной силой разбивает стены здания. Обычно первыми начинают рушиться крыши, но стены тоже могут оказаться слабыми местами. Когда сильный ветер налетает на дом, скатная крыша обычно позволяет ветру обтекать строение без особых последствий. Так же устроен обтекатель кабины у больших грузовиков. У небоскребов всё происходит несколько иначе: чем выше их парусность, тем большую преграду представляют они для ветра и с тем большей силой он воздействует на них. Часть этого воздушного потока спускается вдоль стен к основанию здания и образует там мощные вихри, которые могут сбивать людей с ног; часть же ветра давит на здание с такой силой, что раскачивает его вперед и назад. Унесенные ветром Обычно дома способны выдерживать сильнейшие порывы ветра. Но и они могут не устоять под давлением воздушных масс во время ураганов. Многие на Среднем Западе США, где ураганы – частое явление, убеждены, будто если во время урагана открывать окна дома, то давление снаружи и внутри сравняется и риск разрушения станет меньше. Это ошибка, основанная на неправильном логическом построении, и не имеет ничего общего с наукой. Если вы откроете в доме окна и он выстоит под ураганом, это не значит, что именно открытые окна спасли строение. Инженеры выяснили, что открытие окон в сильный ветер облегчает доступ турбулентных потоков с высоким давлением внутрь здания и может привести к срыву крыши (а тогда и стены скорее разрушатся)[13 - Гидроксильный радикал – высокореакционный и короткоживущий радикал ОН , образованный атомами кислорода и водорода. Обычно возникает при распаде гидропероксидов, в атмосферной химии, взаимодействии возбужденных молекул кислорода с водой или при действии ионизирующего излучения. Прим. перев.]. При взрыве газа всё работает наоборот. Большинство из нас представляет себе картину взрыва по кинокадрам: большое облако пламени. Но пламя при взрыве возникает обычно случайно. Взрыв – одномоментная сильная химическая реакция, в результате которой за долю секунды высвобождаются огромные объемы горячих газов. Нитроглицерин, например, является таким опасным взрывчатым веществом, потому что легко превращает жидкость в газ, объем которого может в 3000 раз превышать исходный объем жидкости. Взрывчатка, которую часто используют террористы, генерирует поток горячих газов, движущихся со скоростью до 30 000 км/ч, то есть в 30 раз быстрее, чем обычно летает самолет Boeing-747. Когда в доме происходит взрыв бытового газа или бомбы, это похоже на то, как будто кто-то «хлопнул» огромный бумажный пакет с воздухом за долю секунды. Именно высвободившиеся при этом газы и уничтожают стены, а не высокая температура или пожар, которые возникают уже как последствия взрыва. Как уравниваются различные силы? Многие художественные галереи, библиотеки и другие общественные здания часто называют в честь людей, которые внесли наибольший вклад в их создание. А в метрической системе измерений присутствуют имена ученых, которые внесли заметный вклад в соответствующую область науки. Выдающийся вклад Исаака Ньютона в изучение сил, действующих в природе, отмечен так же. В современной науке многие силы измеряются в ньютонах (Н). Как же понимается эта единица измерения? Известна история о том, что Ньютон создал закон притяжения, когда яблоко сорвалось с дерева и упало ему на голову (многие считают эту историю выдумкой). Если яблоко весит в среднем около 10 0 г, сила притяжения, действующая на нее, составляет около 1 Н. Если вспомнить то, что мы говорили выше о взаимной компенсации сил, то, положив яблоко на ладонь своей руки и удерживая его в таком положении, вы будете прилагать в направлении вверх силу в 1 Н. Мы можем перевести массу в вес, умножив соответствующее значение на 10. Ведь Земля притягивает к себе любой объект весом 1 кг с силой в 10 Н. Если ваша масса составляет 75 кг, то сила земного притяжения, действующая на вас, составит 750 Н. Вроде всё просто. А как насчет других объектов, встречающихся нам в повседневной жизни? Если ваш дом имеет массу 200 т (200 000 кг), на него действует сила земного притяжения, равная 2 млн Н (2 меганьютонам). В табл. 1 для сравнения приведены и другие примеры. Таблица 1. Сравнение сил. Силы – разнонаправленные внешние воздействия, которые заставляют объекты двигаться. Если они взаимно компенсируются, объект остается в состоянии покоя. В таблице приведены силы различных размеров Почему небоскребы не сдувает ветром? Если обычные дома пугают, потому что могут провалиться сквозь землю, то высотные здания создают другую причину для переживаний: а вдруг их может повалить ветер? Крепкие ноги Небоскребы обычно поражают своей высотой. Если вас спросить, во сколько раз небоскреб выше своей ширины, что вы ответите? 10 раз? 15? 20? Еще больше? К удивлению большинства людей, оказывается, что высота даже самых высоких зданий редко превышает их ширину в основании более чем в семь раз. Секрет небоскребов в том, что мы обычно не замечаем их «крепкие ноги». Эмпайр-стейт-билдинг имеет ширину в основании около 100 м и 380 м в высоту. Соотношение высоты к ширине составляет всего лишь 4: 1. А у Эйфелевой башни это соотношение еще меньше – всего 2,4: 1. Ваше «основание» с расставленными на ширину плеч ногами обычно составляет 30–50 см, так что в качестве «небоскреба» вы в четыре-пять раз больше ширины в основании. За указанные выше пределы таких соотношений выходят очень немногие небоскребы. «Костлявый» жилой Хайклифф в Гонконге имеет удивительное соотношение 20: 1. При таком показателе для удержания здания необходимо уже не только большое основание, но и особые инженерные решения. Секреты городских ветров Удивительнее всего в небоскребах не то, что они остаются на месте, где их построили, а то, что они как раз «не стоят на одном месте». По причинам, о которых мы расскажем в главе 15 (#litres_trial_promo), скорость перемещения воздушных масс стремительно увеличивается с ростом высоты. Так что здание, возвышающееся на 500 м и одновременно достаточно широкое для того, чтобы быть устойчивым, представляет собой очень привлекательную цель для всех кружащих вокруг него ветров. Закрепленный намертво у земли, но подверженный воздействию мощных сил наверху (прежде всего силы ветра), которые давят на него горизонтально, небоскреб почти все время представляет собой гигантский рычаг. Достаточно сильный порыв ветра может разломать его пополам или вырвать с корнем, как дерево. Казалось бы, из этого можно сделать вывод, что нам нужно строить здания, максимально устойчивые и жесткие к внешним воздействиям. Но оказывается, что колеблющееся высотное сооружение имеет гораздо больше шансов выжить. На интуитивном уровне вы можете понять это, если сравните эффект от колебаний желе на длинной палочке и вертикальной пирамиды из печенья. Как и желе, небоскребы спроектированы так, чтобы медленно колебаться под порывами ветров. «Башни-близнецы», например, были известны тем, что амплитуда колебательных движений в их верхней точке составляла целый метр, а «Тайбэй 101» (гораздо более новое и не такое известное высотное здание на Тайване) имеет в своей высшей точке колебания порядка 8 см[14 - Поляризованный свет – это свет, имеющий определенное направление колебания электромагнитного поля световой волны. Прим. науч. ред.]. Использование в небоскребах противовесов Наиболее важен с точки зрения устойчивости небоскребов не столько сам предел их колебаний и их скорость. Небоскребы раскачиваются из стороны в сторону через определенные и предсказуемые промежутки времени. Высотное здание в Чикаго Башня Джона Хэнкока совершает одно колебание за 8,3 секунды (то есть колеблется с частотой в восемь раз меньшей частоты вращения секундной стрелки часов)[15 - Обычный атом электрически нейтрален, и число протонов и электронов в нем совпадает. Когда оно разное, это уже ион. Прим. науч. ред.]. Если колебания будут чаще, то у находящихся в здании людей может начаться морская болезнь. Небоскребы не падают, потому что ветер и подземные толчки заставляют их раскачиваться на манер маятников. По мере таких движений воздействующие на них силы исчезают, и небоскребы снова встают во весь свой «рост». ? Демпфирование (подавление) колебаний небоскреба на примере здания «Тайбэй 101». Огромный железный шар массой 660 т, который называется «инерционный демпфер», используется для придания устойчивости и противодействия силе ветра в небоскребе «Тайбэй 101». Шар динамично закреплен в верхней части строения с помощью гидравлических амортизаторов, работающих по принципу автомобильных. При сильных порывах ветра, ударяющих в здание слева или справа, тяжелый виброгаситель стремится прийти в исходное положение, отклоняясь на гигантских амортизаторах в сторону, противоположную наклону здания. Это позволяет компенсировать колебания здания, чтобы предотвратить приступы морской болезни у обитателей верхних этажей[16 - Легирование – добавление специальных материалов для изменения электрических свойств полупроводника. Прим. науч. ред.]. Глава 2. Вверх и вниз по лестнице Что общего между пощечиной; шумными хлопками крыльев голубей, взлетающих с крыши вашего дома; шипением содовой таблетки от похмелья; подмигиванием красного зрачка пожарной сигнализации в ночи и мухой, пойманной и спеленутой смертельной паутиной? Всё это формы энергии[17 - Корма – блюдо индийской кухни, распространенное также в Центральной и Западной Азии. Для ее приготовления необходимы йогурт или другой молочный крем, ореховая или семечковая паста, а также кокосовое молоко. Прим. перев.]. Невидимая и непостижимая, она остается главной загадкой природы. Мы не можем ее себе представить, но она сама помогает нам ее понять. Поищем хорошее применение энергии мысли: попробуем понять, что такое энергия. Взвесимся Вы энергичный спортивный человек – любитель бегать по лестницам или предпочитаете бочком проскальзывать в лифт (на эскалатор) и подниматься вверх на них? Чем вы упитаннее, тем ниже вероятность того, что вы захотите скакать по ступенькам. Большинство людей приписывают такое поведение исключительно лени, но на самом деле в его основе лежит серьезное и убедительное научное обоснование. Представьте себе двух инженеров – Энди и Боба, которые должны исправить вышедший из строя мотор лифта на Эмпайр-стейт-билдинг в небе над Манхэттеном. Энди – 95-кг здоровяк, а его помощник Боб – 65-кг жилистый спортивный человек. Поскольку лифт вышел из строя, подняться на небоскреб они могут только по ступеням лестницы, а их ужасно много: 1870… 1871… 1872. Инстинктивно каждый понимает, что подниматься по лестнице – очень тяжелая работа. Чем выше вы забираетесь, тем больше энергии затрачиваете для преодоления притяжения Земли. Менее очевидно то, что более тяжелые люди должны совершать больше работы, чем стройные. Чем больше ваше тело и его масса, тем больше энергии нужно, чтобы передвигать ее вверх. Почему это меньше бросается в глаза? Потому что не каждому приходится проводить такой эксперимент: брать на плечи какой-то вес, подниматься с ним на какую-то высоту, затем через 10 минут брать другой и делать то же самое, а потом сравнивать ощущения. Но различия в ощущениях, несомненно, есть, и очень значительные. Если вы потаскаете пакеты с покупками из супермаркета по лестнице, то быстро всё поймете. Насколько больше энергии использует Энди, чтобы подняться на небоскреб? Эту задачу из программы средней школы можно решить одним росчерком ручки. К нашему удивлению, ответ будет 120 килоджоулей[18 - Также одним из «отцов» радио считается русский ученый-физик Александр Попов (1859–1906). Прим. ред.] (кДж), а решение мы поясним ниже. Это примерно столько же, сколько вы израсходуете на то, чтобы вскипятить воду на кружку кофе. Это дополнительное количество работы, которую должен совершить Энди только потому, что он тяжелее Боба. Когда они наконец достигают верха здания, обессиленные и молящие Бога о помощи, Энди лезет в свой ящик с инструментами в поисках упаковки печенья с шоколадной глазурью. «Я это заработал», – говорит он, широко улыбаясь и засовывая две печенюшки в рот. Остаток пачки он перебрасывает Бобу. Коллега Энди, внимательно всмотревшись в маленькие буковки на упаковке, вежливо отказывается: два печенья содержат 108 килокалорий (450 кДж). Теоретически, если бы вся энергия печенья была полностью использована на то, чтобы поднять тело Энди по лестнице (100 % этой энергии было бы преобразовано в то, что мы называем энергией механической), этого было бы более чем достаточно на подъем, который они только что совершили. «В следующий раз, – тихо бормочет Боб себе под нос, – Энди будет еще тяжелее подняться вверх»[19 - Джон Бэрд (1888–1946) – шотландский инженер, получивший известность за создание первой механической телевизионной системы. Прим. перев.]. Что же такое энергия? В чем-то мы понимаем энергию, а в чем-то нет. Мы все знаем, что энергия – невидимое топливо, которое приводит в движение всю нашу жизнь. Мы знаем, что должны залить бензин в автомобиль, чтобы он двигался. Мы знаем, что должны поесть два-три раза в сутки, чтобы шли наши внутренние часы. И мы знаем, что должны оплачивать счета за газ, если хотим иметь горячий душ и уютный теплый дом. Но многие ли из нас могут точно сказать, какое количество электричества они использовали вчера (дома, на работе или в школе), сколько энергии ежегодно потребляют такие большие города, как Нью-Йорк или Нью-Дели, или сколько электростанций мы должны построить в следующем десятилетии, чтобы не лишиться света? В общих чертах несложно понять, что такое энергия. Мы хорошо понимаем ее качественно, однако нам сложно оценить ее количественно. Именно поэтому нас так раздражают счета за газ и мы так волнуемся о том, что мир постоянно балансирует на грани энергетического кризиса (возможно, не в последнюю очередь объясняющегося и нашим поведением). Ведь мы всё больше тучнеем и потребляем в форме пищи гораздо больше энергии, чем необходимо, а в итоге сами подвергаем себя риску. Измерение энергии – важный источник знаний о ней и о том, как она движет миром. Об этом мы и поговорим ниже. Джоули Джоуля Люди твердят, что нельзя управлять тем, что вы не можете измерить. То же относится и к науке, но с небольшим нюансом. Здесь это звучит так: «Вы не способны познать то, что не можете измерить». Самый верный путь к познанию научных явлений, в том числе энергии, – начать «приделывать» им числа. Мы можем сравнить количество энергии, которое используем для повседневных нужд, с тем количеством, которое можем генерировать различными способами. Забираясь на Эмпайр-стейт-билдинг, мы тратим больше энергии, чем на съедение печенюшки наверху? Кажется, что нет (а на самом деле да). Можем ли мы произвести с помощью одного ветряного двигателя достаточно энергии для целого поселка? Да. Если мы подсоединим велосипедную динамо-машину к чайнику и будем, как сумасшедшие, крутить педали, сколько нам потребуется времени, чтобы вскипятить миску воды? Ответ – 21 час, а профессиональный велосипедист, вращающий хороший электрический генератор, мог бы справиться с этим за четверть часа[20 - Изобретателем цветного телевидения считается русский ученый Владимир Зворыкин (1888–1982). Прим. науч. ред.]. Ученые измеряют энергию в единицах, которые называются джоулями, по имени известного английского физика Джеймса Джоуля, жившего в XIX веке и осуществившего первые эксперименты по измерению энергии (которую он любил называть vis viva, в переводе с латыни «живая сила»)[21 - Так описан закон Фарадея: переменное магнитное поле порождает электрическое поле. Прим. науч. ред.]. В науке 1 джоуль – единица измерения энергии, но чему он равен? Как он выглядит и как его ощутить? Выше мы уже видели: чтобы вскипятить кружку воды, нужно 120 килоджоулей (120 000 джоулей). Так что один джоуль – не слишком впечатляющая величина. Возьмите апельсин, который весит приблизительно 100 г, и поднимите его на 1 м. При этом вы затратите примерно 1 Дж энергии. Немного, правда? Но посмотрим на это с другой стороны. Кипячение кружки воды требует 120 000 Дж. Это то же самое, как поднять 120 000 апельсинов (12 т) на высоту 1 м. Или забросить один апельсин на 120 км в высоту (это в 14 раз выше горы Эверест). Вот теперь впечатляет. Сколько на что нужно энергии? В принципе несложно теоретически подсчитать количество энергии, которое нужно нам в повседневной жизни: от езды на велосипеде до участия в марафонском забеге (табл. 2). Это «расходная» часть энергетического бюджета. Достаточно легко посчитать, сколько энергии содержится в одном шоколадном печенье, автомобильном аккумуляторе или куске угля, и понять, как ее использовать. Это другая, «доходная» часть энергетического бюджета. Благодаря трудам Джеймса Джоуля мы знаем, что энергетический бюджет в природе всегда сходится: количество энергии в «доходной» части точно соответствует количеству в части «расходной». Таблица 2. Сравнение энергии. Чтобы почувствовать, что такое энергия, можно сравнить наши потребности в ней на разные нужды с возможностями ее генерации разными способами. Ниже мы сравниваем способы производства энергии (курсив) с путями ее применения (обычный шрифт). Для каждого пункта таблицы я высчитал показатель задействованной в нем энергии в джоулях (с этой единицей многие на практике не знакомы), киловатт-часах (единицы, по сумме которых нам выставляют счета электрические и газовые компании) и «восхождениях на Эмпайр-стейт-билдинг» – минимальном количестве энергии, которое потребуется среднему 75-кг мужчине для подъема на верх небоскреба по лестницам[22 - Размер антенны должен быть кратен четверти длины волны. Прим. науч. ред.]. Из таблицы видно, что разряд молнии содержит столько же энергии, сколько нужно для 17 000 восхождений на Эмпайр-стейт-билдинг, а час плавания забирает столько же энергии, сколько семь таких восхождений Что такое энергия? Представлять себе различные количества энергии, конечно, интересно, но не всегда полезно. Скажем, если восхождение на Эмпайр-стейт-билдинг и потребует от вас некоторого количества энергии, важнее то, сколько времени это займет. Вообразите себе, что подниматься вы будете за щедро отведенные вам восемь часов, постоянно останавливаясь, чтобы полюбоваться открывающимися видами. Это значит, что вы будете продвигаться вверх на четыре ступени в минуту. Занятие, конечно, скучное, но не станет слишком большой нагрузкой для вашего организма. Поставьте перед собой гораздо более амбициозную цель: добраться до верха небоскреба за полчаса. Тогда вам придется, задыхаясь, двигаться со скоростью ступень в секунду, что, конечно, не в пример труднее. Так что, когда речь идет об использовании или генерации энергии, очень важна продолжительность соответствующих действий. Решить эту проблему мы можем, введя понятие мощности, которое отражает показатель использования или производства энергии (количество энергии, деленное на время, необходимое для ее использования или генерации). Как и в случае с самой энергией, мы можем лучше представить себе мощность, измерив ее. Это мы делаем с помощью показателя Дж/с, или ватт (Вт). 100-ваттная лампочка потребляет 100 Дж энергии в секунду. Если Энди пробежится до верха Эмпайр-стейт-билдинг за полчаса (и не свалится от остановки сердца), то он разовьет среднюю мощность порядка 200 Вт[23 - Длина такой волны может достигать от нескольких метров до километра. Прим. науч. ред.]. Какая мощность нужна для разных случаев (и какая создается)? В вопросах генерации энергии ватт становится слишком малой единицей мощности. Пусковой рукояткой автомобиля можно произвести 10 Вт мощности. Но если вы пробовали генерировать энергию для чего-то вроде настольной лампы или ноутбука (а мне однажды довелось), то вы, наверное, знаете, что это утомительный физический труд[24 - Именно он изобрел коаксиальный кабель и записал уравнения Максвелла в том виде, в котором мы знаем их сейчас. Прим. науч. ред.]. Создание значительной мощности – трудоемкая задача. Крупный ветряной двигатель выдает примерно 2 мВт мощности (2 млн Вт), что равно мощности работающих одновременно 200 000 пусковых рукояток или 10 000 условных Энди, одновременно взбирающихся на Эмпайр-стейт-билдинг. Большая тепловая (работающая на угле) или атомная станция выдает уже 2 гВт мощности (2 млрд Вт), что равно мощности 1000 одновременно работающих ветряков. Именно поэтому в последнее время ветряные двигатели появляются всюду, как грибы после дождя. Дело не в том, что людям нравится их строить, а в том, что тысяча таких сооружений может произвести такое же количество электричества, как и одна большая электростанция. Сравниваем мощности Мощность – это энергия, деленная на время. Если вы хотите выяснить, сколько энергии использовано неким механизмом, например сушкой для белья, то можете умножить ее потребляемую мощность, указанную в техническом паспорте (она может составлять порядка 3000 Вт, или 3000 Дж/с), на время ее работы. Если механизм работал в течение часа, то это 60 минут, или 3600 секунд. Таким образом, суммарное использованное количество энергии составит 3000 Дж/с ? 3600 с, или порядка 10 мДж (10 млн Дж, или 10 000 кДж). Таблица 3. Разница в мощности различных механизмов и тел. Мощность – количество энергии, создающейся или используемой в единицу времени. Трудно представить себе, какую мощность может создать паровоз, не говоря уже об электростанции или космической ракете. Однако, если мы соотнесем их мощность с мощностью мотора Porsche Turbo (хорошего спортивного автомобиля) или хомячка, бегающего в колесе, то дело начнет проясняться. Это не значит, что вы можете заменить все эти источники энергии двигателем от Porsche Turbo (который никогда не выведет вас в космос, поскольку для работы ему нужен кислород) или колесом с хомячком (который сразу выбьется из сил). Если атомная электростанция за десятилетия существования может выработать гигантское количество энергии, то хомячок, выдав доступную ему мощность, упадет от истощения. И количество выработанной им энергии всегда будет мизерным[25 - Геостационарные спутники вращаются вокруг Земли с той же угловой скоростью, что и Земля вокруг своей оси, и относительно Земли они неподвижны. Один такой спутник может охватить треть поверхность планеты. Прим. науч. ред.] Каждый может подсчитать, насколько трудно выполнять повседневные действия. Если для кипячения кружки воды для кофе необходимо 120 кДж, то за какое время справился бы с этой задачей хомячок? Грызун производит 0,5 Вт, или 0,5 Дж/с. Ему потребовалось бы 240 000 секунд, или около трех дней. С помощью пусковой рукоятки мы можем создать мощность 10 Вт, значит, смогли бы получить кружку кипятка в 20 раз быстрее, примерно за три часа[26 - Майлар (англ. Mylar; также BoPET, Melinex, Hostaphan) – торговая марка компании DuPont для пленки на основе синтетического полиэфирного волокна (полиэтилентерефталата, в СССР называвшегося лавсаном). Прим. перев.]. А как бы обстояли дела, если бы у вас была своя личная АЭС? Подключенная к подходящему кипятильнику, она дала бы вам 1,5 млн Дж энергии всего за секунду. И вода для вашего кофе вскипела бы примерно за сотую долю секунды. Вот уж действительно быстро! Стоимость энергии В энергии нас больше всего смущает то, что мы за нее платим. Ваши счета за газ и электроэнергию, скорее всего, выставляются в киловатт-часах. Вроде бы единица мощности (ведь в ее названии присутствует слово «ватт»), но на самом деле это единицы измерения количества энергии. Мощность – энергия, деленная на время. Поэтому энергия, деленная на время, а затем снова умноженная на него же, снова становится собой. Киловатт-час энергии (1 кВт ? ч) – это такое ее количество, которое потребляется за час работы прибора мощностью 1 кВт. Как эти единицы измерения работают на практике? • Пылесос с электромотором мощностью 1000 Вт потребит 1 киловатт-час электроэнергии за час работы. • Мощный электрокипятильник потребляет мощность 3 кВт. Поэтому за 20 минут он израсходует как раз 1 кВт ? ч. И не важно, сколько внутри воды: разным будет только время кипячения. • Экономичная электролампочка имеет мощность 10 Вт, поэтому только за четыре дня (примерно 100 часов) она потребит 1 кВт ? ч электроэнергии. • Энди, наш полноватый мастер восхождения на Эмпайр-стейт-билдинг со скоростью ступенька в секунду, развивает мощность примерно 200 Вт. Чтобы использовать 1 кВт ? ч энергии, ему нужно затратить пять часов. Какую бы работу вы ни хотели произвести, обычно для этого требуется одно и то же количество энергии[27 - Е = hf, где h – постоянная Планка (6,626 ? 10 Дж ? с), а f – частота (Гц). Прим. науч. ред.]. Но если вы приложите большую мощность, то сможете выполнить ее быстрее. Какой бы способ вы ни выбрали для того, чтобы подняться на Эмпайр-стейт-билдинг, вам нужно будет поднять массу своего тела (которая принципиально не меняется) на определенную высоту, так что теоретически вам всегда нужно будет одно и то же количество энергии. На лифте, с помощью электромотора вы доберетесь наверх гораздо быстрее, чем пешком. Это значит, что лифт гораздо мощнее вас (для выполнения той же работы ему нужно значительно меньше времени). Каким бы способом вы ни кипятили литр воды, вам всегда будет необходимо для этого 378 000 Дж (378 кДж). Вы можете кипятить воду в электрочайнике, на газовой плите, над походным костром или просто мешая ее ложкой. Она в конце концов закипит (даже если вы будете делать это самым «эффективным» способом, то есть ложкой[28 - Именно свинец используют в защитных экранах в медицинских рентгенкабинетах и атомных электростанциях. Прим. науч. ред.]). Но каждый из этих способов обеспечивает доставку к воде энергии с разной скоростью, мощностью и за разное время. Если вы используете мощный кухонный трехкиловаттный электрочайник, то вскипятите воду втрое быстрее, чем в походном однокиловаттном. Вы используете то же количество энергии, но в три раза быстрее с втрое большей мощностью. Количество киловатт-часов будет одним и тем же, и это будет вам стоить одинаково. Откуда берется и куда девается энергия? Деньги не появляются на вашем банковском счете и не исчезают из кошелька необъяснимым образом. Мы зарабатываем и тратим в процессе постоянного обмена с другими. С энергией происходит то же самое. Если вы нуждаетесь в ней, вы должны где-то ее «заработать» (потребив некоторое количество пищи или залив в бак своего автомобиля бензин). Если вы хотите что-то сделать, вы «тратите» свою энергию и сокращаете имеющиеся запасы. С финансовой системой можно манипулировать, печатая или даже подделывая деньги и заставляя их появляться буквально из ниоткуда, а с энергией такие трюки не проходят, сколько бы вы ни старались. Во Вселенной есть строго определенное количество энергии, и мы можем только «торговать» ею с нулевым результатом: если где-то мы получаем какое-то количество энергии, где-то ее ресурсы на такую же величину уменьшаются. Это фундаментальный закон физики, который называется законом сохранения энергии (не путайте с тем, что в быту мы понимаем под экономией энергии). Эксперименты Джеймса Джоуля помогли представить этот закон в его самой известной и действующей до сих пор форме: мы не можем ни создавать, ни уничтожать энергию; мы способны только переводить ее из одного вида в другой. В подтверждение своей теории Джоуль предложил остроумный и живописный пример с водопадом, показав, что температура воды в месте ее падения будет чуть выше, чем в месте срыва вниз. Причина в том, что часть энергии падающей воды превращается в тепло. Произведя несколько быстрых вычислений, Джоуль подсчитал, что температура воды в нижней точке Ниагарского водопада должна быть на 0,2 градуса выше, чем в верхней[29 - Говард Хьюз (1905–1976) – американский предприниматель, инженер, режиссер и продюсер, пионер в области авиации. Знаменит своим эксцентричным характером и романами со звездами шоу-бизнеса, в конце жизни стал затворником; прототип для множества героев и герой ряда фильмов («Мелвин и Говард», 1980; «Авиатор», 2004, и др.). Прим. ред.]. К сожалению, практический эксперимент Джоуля по доказыванию этой гипотезы не удался (во время медового месяца он пробовал провести его на водопадах в Шамони во Франции с использованием высокочувствительных термометров). Вода при падении на ложе водопада разбивалась на слишком мелкие капли, и ученый не смог измерить ее температуру достаточно точно[30 - «К северу через северо-запад» (North by Northwest) – приключенческо-шпионский триллер 1959 года режиссера Альфреда Хичкока, по стилистике предвосхищающий фильмы бондианы. Прим. перев.]. Что происходит, когда вы кипятите литр воды? Вы сообщаете сосуду, в котором находится вода, энергию в количестве 378 кДж. Это может быть соответствующий объем электроэнергии, который поступит по электропроводу к тепловыделяющему элементу электрочайника и превратится в тепло. Или соответствующий объем газа, который сгорит в конфорке и сообщит такую же энергию воде. Теоретически, если удастся исключить все тепловые потери у сосуда с водой, это могут быть 378 кДж энергии, произведенной сверхбыстрыми движениями вашего запястья с ложкой. В этом случае источником энергии станет ваше тело – возможно, пополнившее свои ресурсы за счет шоколадного печенья, которое вы до этого съели. Предположим, вам все же удалось разогреть ложкой литр воды. К моменту, когда она закипит, ваше тело должно потерять 378 кДж энергии, а вода получит столько же в виде тепла. Если вы потом выпьете эту горячую воду, то вернете себе часть затраченной энергии. Вода согреет ваше тело и восполнит количество энергии, которое вам нужно для поддержания нормальной температуры. Почему нам больно? Когда мы начинаем понимать, что такое количество энергии, то более ясно осознаём и многие другие явления нашей жизни, которые вроде бы прямого отношения к ней не имеют. Например, почему страдают машины во время аварий; почему ожог паром болезненнее, чем ожог кипятком, и почему так опасно падать с лестницы. Во всех случаях ответ один: потому что энергия должна во что-то трансформироваться. Здесь тоже действует закон ее сохранения. Автоавария Если вы едете по скоростному шоссе со скоростью 150 км/ч (40 м/с) в полуторатонной спортивной машине, в процессе движения она приобретает энергию. Мы называем эту энергию кинетической и можем рассчитать ее по простой формуле: это половина массы движущегося тела, умноженная на скорость в квадрате[31 - Astral Weeks – альбом англо-ирландского певца Вана Моррисона (1968); Tubular Bells – дебютный сольный альбом англичанина Майка Олдфилда (1973); Trout Mask Replica – третий студийный альбом певца-авангардиста Дона ван Влиета, выступавшего под псевдонимом Капитан Бифхарт (1969). «Жестяной барабан» – дебютный (и самый известный) роман немецкого писателя Гюнтера Грасса. Опубликован в 1959 году и стал ядром «данцигской» трилогии Грасса. «Уловка-22» – роман американского писателя Джозефа Хеллера; неоднократно переведен на русский язык. Прим. ред.]. Подставив нужные числа, вы легко найдете, что машина обладает энергией немного более 1 мДж. Как только она сталкивается с препятствием, ее скорость падает до нуля и она утрачивает кинетическую энергию. Так что разбить автомашину в ДТП значит высвободить энергию в 1 мДж в мгновение ока. А появляющаяся в результате мощность будет равна энергии, деленной на количество секунд, в течение которых происходит авария. Так что если ваша машина сжимается в гармошку, скажем, в течение половины секунды, то возникает мощность: 1 мДж / 0,5 с = 2 мВт. Это (как видно из табл. 3) примерно равно мощности паровоза. Именно поэтому автоаварии часто приводят к летальному исходу и поэтому машина в процессе серьезного ДТП так деформируется. Чем дольше длится сам процесс аварии, тем меньше время воздействия сил (на сам автомобиль и сидящих в нем людей), и тем больше у ее участников шансов выжить. Если вам посчастливилось выйти из ДТП невредимым, скажите спасибо за то, что конструкция многих современных автомобилей способна поглощать при ударе максимум энергии, минимизировать действие внешних сил на пассажиров и спасать их жизни. Чем хуже выглядит машина после аварии, тем сердечнее стоит поблагодарить судьбу. Вы выживаете за счет того, что гибнет машина. Современный автомобиль жертвует собой, чтобы спасти вас. Теоретически человек может создать неразрушимые машины, которые из всех ДТП будут выходить только с царапинами. Но в этом случае не будет объекта, который «высасывает» энергию столкновения, воздействующие на вас силы будут огромными и даже небольшой удар может оказаться роковым[32 - Аналоговый компьютер, или аналоговая вычислительная машина (АВМ) – вычислительная машина, которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических параметров (скорость, длина, напряжение, сила тока, давление). В этом и состоит его главное отличие от цифровой ЭВМ. Другое принципиальное отличие – отсутствие у АВМ хранимой программы, под управлением которой с помощью одной машины можно решать разнообразные задачи. Прим. перев.]. Ожог чайником Тот же принцип применим и к ситуации, когда вы обжигаетесь чайником: энергия кипящей воды должна куда-то уйти, и она уходит в ваши пальцы, поражая живую плоть. Пар при температуре 100 °C содержит гораздо больше энергии, чем кипящая вода той же температуры. Ведь для отделения молекул воды друг от друга в паре необходимо вложить в него большую энергию. Если ваша рука попадает в струю пара, она испытывает двойное поражающее действие высокой температуры. Сначала она абсорбирует ее и превращает пар в кипящую воду, а затем охлаждает воду до температуры вашего тела. Падение с лестницы Чтобы забраться на строительную лестницу, нужна энергия. Если вы упадете с нее, то эта энергия (которая называется потенциальной, поскольку существует в накопленном виде и ее можно использовать в будущем) должна будет высвободиться и куда-то перейти. Она и перейдет – в ваше тело. Если вы забираетесь по лестнице на крышу дома (высота около 10 м) и весите 75 кг, то потенциальная энергия составит 7500 Дж[33 - Почему выбрана именно такая частота дискретизации? Верхняя частота звуковых колебаний, улавливаемых человеческим ухом, составляет примерно 20 000 Гц. Согласно теореме Котельникова (широко используемой в телекоммуникациях), частота дискретизации должна быть минимум вдвое больше верхней частоты, то есть не меньше 40 000 Гц. Прим. науч. ред.]. Стоит вам сорваться с лестницы и при падении удариться головой о бетон при длительности импульса удара около 0,1 секунды, на ваше тело обрушится мощность в 75 000 Вт (75 кВт). Сила, которая будет при этом воздействовать на вашу голову, обратно пропорциональна времени воздействия: чем быстрее уйдет энергия, тем больший ущерб она нанесет. Если вы подставите числа в соответствующее уравнение, то получится, что при ударе на вашу голову будет действовать такая же сила, как если бы на ней сомкнулись челюсти крокодила[34 - При передаче цифрового сигнала нужно только суметь отличить 0 от 1, а при передаче аналогового сигнала необходимо еще сохранить и его форму. Прим. науч. ред.]. Этого достаточно, чтобы сломать кости и даже убить человека. Почему же вам может быть нанесен такой ущерб? Почему вы можете даже погибнуть? Потому что энергия должна перейти в другую форму и переместиться на другой объект. Вверх и вниз по лестнице в вашем доме Разговоры о джоулях, ваттах и даже – что для вас, наверное, важнее – о деньгах четко доказывают: для всего, что мы делаем, нужна энергия, и ее надо выработать, затратив некие ресурсы. Это неприятная сторона закона сохранения энергии. Но есть и хорошая новость. Использование энергии не всегда настолько же бессмысленно, как сжигание денег для получения тепла: иногда мы можем получить ее назад. Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/kris-vudford/atomy-u-nas-doma-udivitelnaya-nauka-za-povsednevnymi-veschami/?lfrom=390579938) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом. notes Сноски 1 Флэш Гордон – вымышленный персонаж одноименного научно-фантастического комикса, впервые появившийся в «Стрипе» 7 января 1934 года. Создан художником Алексом Рэймондом. Позже о данном персонаже на основе комиксовых историй был создан ряд теле- и мультсериалов, полнометражных фильмов и мультфильмов, романов, радиоспектаклей и компьютерных игр. Прим. перев. 2 Детали биографии Эйнштейна я позаимствовал из широко известной и популярной биографии ученого: Айзексон У. Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная. М.: АСТ, Corpus, 2015. В ней описаны и уход Эйнштейна из старшей средней школы, и провал на экзаменах в политехнический колледж, и попытки трудоустройства. 3 Статистика приведена здесь по результатам опросов, проведенных и в США, и в Великобритании. Источники – на моем сайте (http://www.chriswoodford.com/atoms.html). 4 Данные по поводу высотного здания взяты с официального сайта Эмпайр-стейт-билдинг 29 октября 2013 года. 340 000 т – это 340 млн кг, что равно общей массе 4,5 млн людей со средней массой 7 кг. Это всё население Калькутты (по данным Википедии) на 2011 год. 5 Более точно – 412 500 паскалей (Па). 6 Это примерно 4 млн Па. 7 Hayes L. et al. The Latest from Paris: An All-Plastic House // Popular Mechanics. 1956. August. Р. 89. 8 Hay D. What Does a House Weigh? Some Mental Heavy Lifting // Seattle Times. 2004. December 19. Ссылка – на моем сайте (http://www.chriswoodford.com/atoms.html). 9 Если вам интересно, почему вообще происходит движение, стоит вспомнить о действии и противодействии. Если вы стреляете из ружья, то действие – сила, толкающая пулю вперед. Противодействие – отдача, толкающая ружье в противоположном направлении. Действие двигает пулю, противодействие – само ружье. 10 Для каждого строительного материала существует показатель, называемый модулем Юнга (Е), который показывает, насколько материал прочен или упруг. Он рассчитывается путем деления давления на поверхность материала (силы, которую вы прикладываете к единице площади) на удлинение материала (насколько длиннее он становится по сравнению с первоначальным состоянием). В качестве примера я взял прочный строительный бетон, из которого состоит примерно десятая часть офисного здания, где я работаю. Я также сделал допущение, что все люди, находящиеся в нем, стоят на крыше здания, оказывая равномерное давление на него по всей его высоте. На самом деле сила сжатия внизу здания всегда больше, чем наверху. 11 В разговорном русском языке принято говорить, например, «Вася весит 75 кг», «лишний вес» и т. п., и в этой книге для простоты изложения часто используются те же конструкции. Хотя, если придерживаться строгой научной терминологии, речь все же идет о массе (то есть Васина масса составляет 75 кг). Вес же (если речь о теле, находящемся в состоянии покоя) – произведение массы на ускорение свободного падения (g), на Земле равное 9,81 м/с?. Для простоты расчетов в этой книге значение g округлено до 10. Иными словами, вес Васи, масса которого составляет 75 кг, будет равен 750 кг ? м/с?, или 750 ньютонов (Н). Прим. ред. 12 Инфракрасное излучение имеет длину волны больше 740 нм (граница видимого красного цвета). Прим. науч. ред. 13 Гидроксильный радикал – высокореакционный и короткоживущий радикал ОН , образованный атомами кислорода и водорода. Обычно возникает при распаде гидропероксидов, в атмосферной химии, взаимодействии возбужденных молекул кислорода с водой или при действии ионизирующего излучения. Прим. перев. 14 Поляризованный свет – это свет, имеющий определенное направление колебания электромагнитного поля световой волны. Прим. науч. ред. 15 Обычный атом электрически нейтрален, и число протонов и электронов в нем совпадает. Когда оно разное, это уже ион. Прим. науч. ред. 16 Легирование – добавление специальных материалов для изменения электрических свойств полупроводника. Прим. науч. ред. 17 Корма – блюдо индийской кухни, распространенное также в Центральной и Западной Азии. Для ее приготовления необходимы йогурт или другой молочный крем, ореховая или семечковая паста, а также кокосовое молоко. Прим. перев. 18 Также одним из «отцов» радио считается русский ученый-физик Александр Попов (1859–1906). Прим. ред. 19 Джон Бэрд (1888–1946) – шотландский инженер, получивший известность за создание первой механической телевизионной системы. Прим. перев. 20 Изобретателем цветного телевидения считается русский ученый Владимир Зворыкин (1888–1982). Прим. науч. ред. 21 Так описан закон Фарадея: переменное магнитное поле порождает электрическое поле. Прим. науч. ред. 22 Размер антенны должен быть кратен четверти длины волны. Прим. науч. ред. 23 Длина такой волны может достигать от нескольких метров до километра. Прим. науч. ред. 24 Именно он изобрел коаксиальный кабель и записал уравнения Максвелла в том виде, в котором мы знаем их сейчас. Прим. науч. ред. 25 Геостационарные спутники вращаются вокруг Земли с той же угловой скоростью, что и Земля вокруг своей оси, и относительно Земли они неподвижны. Один такой спутник может охватить треть поверхность планеты. Прим. науч. ред. 26 Майлар (англ. Mylar; также BoPET, Melinex, Hostaphan) – торговая марка компании DuPont для пленки на основе синтетического полиэфирного волокна (полиэтилентерефталата, в СССР называвшегося лавсаном). Прим. перев. 27 Е = hf, где h – постоянная Планка (6,626 ? 10 Дж ? с), а f – частота (Гц). Прим. науч. ред. 28 Именно свинец используют в защитных экранах в медицинских рентгенкабинетах и атомных электростанциях. Прим. науч. ред. 29 Говард Хьюз (1905–1976) – американский предприниматель, инженер, режиссер и продюсер, пионер в области авиации. Знаменит своим эксцентричным характером и романами со звездами шоу-бизнеса, в конце жизни стал затворником; прототип для множества героев и герой ряда фильмов («Мелвин и Говард», 1980; «Авиатор», 2004, и др.). Прим. ред. 30 «К северу через северо-запад» (North by Northwest) – приключенческо-шпионский триллер 1959 года режиссера Альфреда Хичкока, по стилистике предвосхищающий фильмы бондианы. Прим. перев. 31 Astral Weeks – альбом англо-ирландского певца Вана Моррисона (1968); Tubular Bells – дебютный сольный альбом англичанина Майка Олдфилда (1973); Trout Mask Replica – третий студийный альбом певца-авангардиста Дона ван Влиета, выступавшего под псевдонимом Капитан Бифхарт (1969). «Жестяной барабан» – дебютный (и самый известный) роман немецкого писателя Гюнтера Грасса. Опубликован в 1959 году и стал ядром «данцигской» трилогии Грасса. «Уловка-22» – роман американского писателя Джозефа Хеллера; неоднократно переведен на русский язык. Прим. ред. 32 Аналоговый компьютер, или аналоговая вычислительная машина (АВМ) – вычислительная машина, которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических параметров (скорость, длина, напряжение, сила тока, давление). В этом и состоит его главное отличие от цифровой ЭВМ. Другое принципиальное отличие – отсутствие у АВМ хранимой программы, под управлением которой с помощью одной машины можно решать разнообразные задачи. Прим. перев. 33 Почему выбрана именно такая частота дискретизации? Верхняя частота звуковых колебаний, улавливаемых человеческим ухом, составляет примерно 20 000 Гц. Согласно теореме Котельникова (широко используемой в телекоммуникациях), частота дискретизации должна быть минимум вдвое больше верхней частоты, то есть не меньше 40 000 Гц. Прим. науч. ред. 34 При передаче цифрового сигнала нужно только суметь отличить 0 от 1, а при передаче аналогового сигнала необходимо еще сохранить и его форму. Прим. науч. ред.