Автор книги: Крис Вудфорд
Жанр: Прочая образовательная литература, Наука и Образование
Возрастные ограничения: +12
сообщить о неприемлемом содержимом
Текущая страница: 3 (всего у книги 22 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]
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]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.
[Закрыть]. 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]30
«К северу через северо-запад» (North by Northwest) – приключенческо-шпионский триллер 1959 года режиссера Альфреда Хичкока, по стилистике предвосхищающий фильмы бондианы. Прим. перев.
[Закрыть].
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]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.
[Закрыть]. 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]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.
[Закрыть].
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]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.
[Закрыть]. 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]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.
[Закрыть]. 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.
Если вы заберетесь вверх по лестнице в своем доме, то превратите потребленную вами пищу в энергию, в «хитрую» ее разновидность – потенциальную, которую можно использовать для различных целей. Если вы удачливы (и эксцентричны), то можете установить дома пожарный шест и спускаться по нему со второго этажа на первый. При этом вы переведете свою потенциальную энергию в вид кинетической (движение и скорость). Теоретически вы можете устроить сложное ременно-шкивное устройство (что-то вроде колеса для хомячка), которое будет сообщать вращение ротору и преобразовывать вашу кинетическую энергию от движения вниз в энергию электрическую. Разумеется, поскольку на каждом этапе процесса будут иметь место потери энергии (например, в виде тепла и звуков от трения), вы не произведете столько электрической энергии при спуске, сколько генерировали потенциальной энергии при подъеме. Но все равно какую-то часть энергии вы сохраните. Что точно невозможно – так это вернуть обратно изначальный источник всей этой энергии, калорийное печенье. Хотя закон сохранения энергии и допускает это, мы пока не придумали способа возвращать из небытия еду после спуска с Эмпайр-стейт-билдинг (которую вы потребили перед восхождением вверх). Это важный урок для всех нас. Большая часть энергии, которую мы используем – в наших голодных желудках и прожорливых спортивных машинах, – исчезает бесследно, унося бесценные ресурсы (подробнее об этом см. главу 13 и главу 14). Энергия очень ценна. В Земле сосредоточено определенное конечное ее количество, и нам нужно очень тщательно продумывать ее использование еще до того, как мы потеряем какую-то ее часть.
Пара слов о сферических коровах
Сферические коровы? Секундочку, я все объясню. Закон сохранения энергии может представляться научным эквивалентом идеального банковского счета, но сводить в нем доходы и расходы совсем не так просто, как я до этого вам показывал. Наука может быть таким же сумасшествием, как и реальная жизнь. Как ваш бюджет может быть сведен к нулю множеством мелких плат, так и та полезная энергия, которая попадает к нам, постепенно исчезает множеством не приносящих пользу способов. Иными словами, мы почти всё делаем крайне неэффективно. Затрачивается гораздо больше энергии, чем подсказывает нам чистая наука.
Когда вы проглатываете шоколадное печенье, содержащаяся в нем энергия не потребляется вашим организмом моментально, чтобы тут же превратиться в соответствующее количество потенциальной энергии. Как мы покажем в главе 14, большая часть той энергии, которую мы поглощаем с едой, «теряется при переводе». Только около 20 % ее могут помочь нам совершить то, что ученые называют «полезной механической работой» (вроде восхождения по лестнице). Плюс в том, что мы можем потворствовать своей любви к шоколадному печенью, не испытывая особого стыда. Минус, как мы увидим в главе 5, состоит в том, что теми же причинами объясняется дороговизна содержания наших автомобилей: только 15 % энергии, которую мы заливаем в их баки, реально расходуется на движение.
Реальная жизнь обычно гораздо запутаннее научных теорий. И это подтверждается всеми моими упрощенными примерами. Если вы попытаетесь вскипятить себе кружку воды для кофе, бешено болтая в ней ложкой, то никогда не добьетесь нужного результата, сколько бы ни старались. Тепло будет исчезать из кружки с такой же скоростью, с какой вы его добавляете. Вода не согреется. Хомячки, бегущие в колесах, которые подключены к динамо-машинам, тоже оставили бы нас без кофе: грызуны устанут бежать задолго до того, как вода запузырится и закипит. Пылесосы с мощностью мотора в 1000 Вт никогда не создадут мощность всасывания, также равную 1000 Вт. Значительная часть электрической энергии, поступающей в их моторы через кабель, теряется в тепле и шуме, выделяемых двигателем.
Если бы ученые разменивались на мельчайшие детали рассматриваемых проблем, они никогда не продвинулись бы вперед в главном. Поэтому тактика «округления» ответов на загадки природы очень важна. Но важно не допускать и профанации. Как мудро заметил однажды Альберт Эйнштейн: «Наука должна быть по возможности простой, но не проще того». Отсюда известная шутка: что произойдет, если вы соберете со всего мира известных ученых и зададите им по-настоящему практический вопрос, например, как увеличить производство молока? Они несколько дней почешут головы, еще несколько дней будут набрасывать на досках свои замысловатые формулы, а потом заявят, что их способ применим только к сферическим коровам, парящим в вакууме.
Глава 3. Супергерои
Из этой главы вы узнаете…
Как ваши пальцы на руках и ногах объясняют секрет работы колеса.
Сможете ли вы сжечь свой дом с помощью электродрели.
Что общего между кухонными ножами и клюшками для гольфа.
Какой длины рычаг нужен для того, чтобы перевернуть Землю.
Вы вряд ли ощущаете себя супергероем. Но вы как раз супергерой. Вы можете рушить стены, пробивать отверстия в кирпичной кладке и поднимать автомашину голыми руками. Как? Конечно, не с помощью вашего слабого тела, а с использованием научных трюков, «упакованных» в домашний инструмент вроде молотков, гвоздодеров и отверток, а также более сложную технику: кофемолки, стиральные машины, пневматические ключи и моющие аппараты высокого давления.
Человеческая машина
За исключением редких моментов, когда мы повреждаем или даже ломаем кости, мы не задумываемся о нашем скелете – костной структуре, которая прикрыта кожей. Мы стараемся обойтись без напоминаний о нашей смертности. «С глаз долой, из сердца вон». Это выражение дважды истинно для тех белых формирований и трубок в нашем организме, существование которых мы принимаем как должное. Причем наш скелет не является подобием тех невидимых железных каркасов, которые держат небоскребы. Он не только несет на себе наш вес, но и помогает увеличивать силу наших мышц так, что мы можем ходить, бегать, поднимать тяжести и вообще делать всё, что должны. В общем, наш скелет – машина, спрятанная внутри нас.
В быту мы ассоциируем понятие «машина» с кранами, бульдозерами и разного рода двигателями или роботизированными конвейерами, на которых машины шьют одежду или сваривают корпуса автомобилей. В науке же машины выглядят проще. И мы можем называть их именно так. Простая машина – любое приспособление, которое увеличивает нашу силу: от крошечной чайной ложечки до скрипучей тачки, от шариковой ручки до отвертки. Наши тела – тоже простые машины, потому что наш скелет гораздо эффективнее, чем веревочки и ниточки безжизненных марионеток. Почти каждая кость и сустав в нашем теле работают как составляющие рычага: пальцы, руки, ноги и т. д. Наша жизнь основана на действии рычагов, и если оставить в стороне мозг и кровь, то люди – прежде всего простые машины.
Загляните в ближайший хозяйственный магазин. Вы найдете там сотни инструментов и приспособлений, которые можно подразделить на три или четыре вида. В основе каждого находится либо рычаг, либо колесо, либо клин. Всё это простые машины. Тачки, например, построены на принципе рычага. Но на нем же построено и колесо, и передачи, и различные блоки и шкивы. Кухонные ножи и стамески работают так же, как наклонные плоскости, по которым вы поднимаетесь и спускаетесь. Так же работают и шурупы. Всё множество задач, для выполнения которых мы используем инструменты, может быть объяснено всего лишь десятком научных идей.
Почему мы верим в рычаги?
Архимед (лысеющий бородатый древний грек, который стал одним из основателей современной науки) однажды заявил, что если бы ему дали достаточно длинный рычаг, то он смог бы перевернуть Землю. (По моим расчетам, такой рычаг должен был бы иметь длину 80 квинтиллионов километров, или 500 млрд расстояний от Земли до Солнца[35]35
Здесь автор не совсем прав. Он говорит о формате mp3, а не о цифровом сигнале в целом. Существуют кодеки, например FLAC, позволяющие кодировать цифровое аудио без потерь. А аудиофайл на компакт-диске тоже цифровой (CD-DA – Digital Audio). Наконец, если будут соблюдаться условия теоремы Котельникова, то цифровой сигнал будет полностью соответствовать аналоговому оригиналу. Прим. науч. ред.
[Закрыть].) Рычаг – прародитель всех машин: большинство инструментов и приспособлений в той или иной степени используют рычаги разных видов. В принципе рычаг – стержень, который имеет с одного конца точку опоры. Им может быть обычный лом. Чем больше расстояние от точки опоры до конца рычага, тем больше он увеличивает приложенную к нему силу. Иногда это могут быть даже вызывающие улыбку невероятные величины. Отсюда и логика Архимеда, который хотел перевернуть с помощью рычага планету. В быту мы обычно сталкиваемся с более понятными принципами рычага, например когда открываем дверь или завинчиваем крышку на банке с джемом. Различные инструментальные и гаечные ключи, а также ломы и ломики – самые наглядные образцы рычагов. Но работа различных дверных и прочих ручек, выключателей и даже рулонов бумажных полотенец тоже основана на принципе рычага.
Интересно, что в колесе, по сути, тоже используется принцип рычага. Вы легко можете убедиться в этом на примере круглых водяных кранов, которые вы поворачиваете то в одном, то в другом направлении, чтобы либо пустить, либо остановить воду. Во многих кранах есть спицы – по сути не что иное, как маленькие рычаги. Чем спицы длиннее, тем легче открывать или закрывать воду: тем больше сила, которую вы через рычаг сообщаете крану. Если у вас артрит или другое заболевание рук, для вас могут изготовить специальные, более длинные спицы, которые можно сдвигать даже легкими движениями кистей или локтей. У многих современных кранов круглые ручки. При наличии воображения их можно представить себе как бесконечное множество миниатюрных спиц, которые расположены на манер лепестков маргаритки на стебле и создают круг. Если же ваш кран имеет ручку, то она одновременно работает и как рычаг, и как колесо.
В рычагах и колесах замечательно то, что вы можете использовать их по-разному, чтобы самостоятельно увеличивать либо силу, либо скорость движения. Когда вы закрываете кран, то при повороте ручки прилагаете большую силу к его оси. Это всё равно что использовать гаечный ключ, создавая значительное усилие для отворачивания туго поддающейся ржавой гайки в центре воображаемого круга, где расположена головка ключа. Но вы можете вращать рычаг и с другой стороны. Именно это и происходит, когда вы работаете топором. Тогда ваши плечи остаются в центре круга, а рычаг в виде длинного топорища сообщает большую скорость лезвию на его конце, которое быстро врезается в дерево. Мы изучим эти варианты работы рычага подробнее, когда в следующей главе рассмотрим принцип работы велосипеда.
Немного о колесе
Когда мы говорим о великих изобретениях, на ум сразу приходит колесо, которое сопровождает нас уже более 5000 лет. Оно переносит нас из нашего дома во многие другие места. Но и там, где мы живем, оно работает на полную катушку. Стиральные машины, блендеры, электрические дрели, кофемолки, дисководы компьютеров, DVD-проигрыватели используют принцип колеса. Если учесть распространенность разнообразных колес в нашей жизни, а также то, что колесо – одно из величайших изобретений человечества, оно вполне заслуживает того, чтобы мы больше рассказали вам о принципах его работы.
Заключенный в колесе принцип рычага относится к самому простому из двух секретов работы колеса: чем больше оно в диаметре, тем большую силу дает человеку. Поверните окружность колеса на некоторое число градусов, и его центр (по сути, точка опоры рычага) повернется на то же число градусов, но значительно медленнее и со значительно большей силой. Именно поэтому до того, как в автомобилях повсеместно стали использоваться гидравлические усилители, у старых грузовиков и автобусов были гигантские рулевые колеса. Но у колеса есть и еще один секрет, причем гораздо менее известный.
Почему туалетная бумага скручивается со втулки?
Английская компания Andrex продавала по 13 млн км туалетной бумаги ежегодно под лозунгом «мягкая, прочная и очень, очень длинная» благодаря одному забавному и милому рекламному клипу. Он изображал очаровательного игривого щенка, который тянул зубами за свободный конец рулона туалетной бумаги и очень быстро покрывал ею пол во всем доме.
За этим смешным трюком стоит вполне солидное научное объяснение. Ведь рулон туалетной бумаги – всего лишь колесо. А колесо действует как рычаг: чем больше его диаметр, тем большего усиления можно достичь. Гораздо легче раскрутить целый рулон бумаги: стоит приложить небольшое усилие, и в центре рулона величина действующих сил станет больше. Когда рулон начинает вращаться, он приобретает импульс[36]36
Импульс – произведение массы тела на скорость. Прим. науч. ред.
[Закрыть] – это научный термин, объясняющий, почему тяжелые грузовики и нефтеналивные танкеры так трудно остановить. Полный рулон весит больше, чем пустой, а его масса распределена относительно центра полой трубки, на которую он намотан (в науке мы говорим, что у него больше момент инерции[37]37
Момент инерции – произведение массы тела на квадрат расстояния до оси вращения. Прим. науч. ред.
[Закрыть]). Начав вращаться, он продолжает вращение ввиду сохранения импульса так же, как тяжелый маховик на старых моделях автомобилей со сцеплением. Так и выходит, что за несколько секунд туалетная бумага покрывает весь пол в вашем доме.
Правообладателям!
Данное произведение размещено по согласованию с ООО "ЛитРес" (20% исходного текста). Если размещение книги нарушает чьи-либо права, то сообщите об этом.Читателям!
Оплатили, но не знаете что делать дальше?
