Текст книги "Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого"

Без шума

«В фильмах про Джеймса Бонда плохих (и хороших) персонажей убирают, стреляя в них из пистолета с глушителем. Как устроен глушитель?»

Джереми Чарльз

Чешем, Бэкингемшир, Великобритания

Глушители было бы правильнее называть «устройствами шумоподавления». Охотники широко применяют их для снижения уровня шума при выстреле из ружей, особенно спортивных винтовок и воздушного оружия. Глушитель представляет собой не что иное, как ряд перегородок и расширительную камеру, которые находятся внутри трубчатой насадки, навинчивающейся на конец ствола огнестрельного оружия.

Шум, который издает при выстреле оружие, состоит из двух компонентов. Источник первого – быстрое расширение газов от взрывчатого вещества, вылетающих из ствола. Источник второго – сверхзвуковой свист пули. Приглушить звук пули невозможно, но глушитель позволяет значительно уменьшить шум, поскольку контролирует скорость расширения газов.

Глушитель наиболее эффективен, если применяется вместе с оружием, заряды в котором движутся со скоростью меньше звуковой. В таких случаях звук выстрела обычно почти не слышен и не похож на выстрел.

Подобрать глушитель к пистолету невозможно, потому что в зазор между стволом и передней частью барабана попадает примерно 5 % газов, которые и создают основной шум при выстреле. Но для всех других видов огнестрельного оружия глушители существуют.

Однажды я видел пулемет системы Стена времен Второй мировой войны, снабженный большим цельным глушителем, из которого стреляли специальными дозвуковыми зарядами. Результаты впечатляли: единственный звук издавал затвор.

В глазах общественности глушители для огнестрельного оружия неизменно связаны с Джеймсом Бондом и бандитским миром. На самом деле они широко применяются охотниками, которые не желают портить пребывание на охоте шумом выстрелов.

Билл Харримен

Британская ассоциация стрелкового спорта и охраны природы,

Рексхем, Клуид, Великобритания

Первые эффективные глушители запатентовал в 1910 году американский изобретатель Хайрам П. Максим (сын Хайрама С. Максима, изобретателя пулемета «Максим»). Это были устройства перегородчатого типа, которые применяются и сегодня. Перегородчатый глушитель состоит из металлического цилиндра, обычно разделенного на две части, который крепится на стволе огнестрельного оружия.

Первая секция, как правило, занимающая треть длины глушителя, содержит расширительную камеру, в которую попадают горячие газы, после вылета пули из ствола расширяющиеся и рассеивающие энергию. Расширительная камера может быть снабжена проволочным цилиндром, задача которого – разбить столб газа и охладить его, выполняя роль поглотителя тепла.

Вторая секция состоит из ряда металлических перегородок с центральным отверстием для пули. Функция перегородок – постепенно отклонять и замедлять поток газа из расширительной камеры, чтобы к тому времени, как он вырвется из глушителя, поток был прохладным, имел низкую скорость и не издавал шума. Глушитель для мотоциклов действует по тому же принципу.

Существуют также разновидности: некоторые глушители целиком состоят из перегородок, другие представляют собой одну большую расширительную камеру. Пластмассовую бутылку для безалкогольных напитков можно превратить в эффективный глушитель, который выдержит несколько выстрелов, а потом развалится.

Глушители удобнее всего использовать вместе с дозвуковыми зарядами в гильзах, чтобы уменьшить звук, который издает обычно пуля, вылетающая из ствола со скоростью звука.

Глушители некоторых конструкций снижают скорость пули до дозвуковой посредством портов, проделанных в стволе. Секция с портами выходит в расширительную камеру. Эти порты выводят газ из-за пули, таким образом снижая давление и, следовательно, скорость пули. В глушителях других конструкций перегородки делают из эластичного материала с отверстием меньше пули. Эти отверстия растягиваются при прохождении пули, а потом опять сужаются, что замедляет выход газов. Неудивительно, что такие перегородки быстро изнашиваются и снижают точность выстрела.

Еще один, менее распространенный тип глушителя – проволочный. Обычно у таких глушителей есть расширительная камера, как у перегородчатых, но перегородки заменены плетеной проволочной сеткой с отверстием в центре для пули. Сетка разбивает поток газа и в то же время действует как теплопоглотитель, в котором охлаждаются и теряют скорость горячие газы. Известно, что преступники совершенствуют такие глушители, заменяя сетку проволочными мочалками для посуды.

Последнее новшество в мире наствольных глушителей – так называемые мокрые глушители. Они позволяют применять воду или смазку. При выстреле горячие газы охлаждаются и перестают издавать звуки благодаря теплообмену в жидкости. Мокрые глушители не такие громоздкие, как многие другие, и вдобавок более тихие.

Разработана новая конструкция глушителя, заметно отличающегося от наствольного. При этом подходе используются особые гильзы, из которых пули выталкивает поршень, приведенный в движение взрывчатым веществом. Поршень останавливается у шейки гильзы, в итоге горячий и шумный газ остается внутри оружия.

Стоит отметить, что в Голливуде глушители – предмет творческих вольностей. Большинство настоящих глушителей гораздо крупнее футляра от сигары, которые показывают в фильмах, и крепятся и снимаются они не так просто. Несмотря на все фильмы, приглушить выстрелы из пистолета практически невозможно, потому что газ вырывается в зазор между барабаном и стволом.

И наконец, забудьте характерный тихий «уф», который издает глушитель Джеймса Бонда. Настоящие глушители чаще всего издают приглушенный треск или звук, напоминающий хлопок автомобильной дверцы.

Хью Белларс

По электронной почте, без обратного адреса

Гибкое решение

«Кассиры всего мира интенсивно трут о ближайший предмет одежды кредитную или дебетовую карточку, которая не проходит. Действительно ли это помогает?»

Филлип Кливер

Невромон, Бельгия

По моему опыту, карточка не проходит по одной из трех причин.

Во-первых, компьютер не может считать информацию с магнитной полоски карточки из-за того, что ее что-то закрывает или полоска повреждена. Кассиру приходится вводить код вручную, карточку скорее всего понадобится заказывать заново. Во-вторых, считывающее устройство неисправно.

И наконец, третья причина проблем с карточкой – самая распространенная. На магнитной полоске скопилась пыль или грязь, мешающая считывать информацию. Достаточно потереть карточку о рукав, чтобы очистить ее. В большинстве случаев такие карточки проходят со второй попытки.

В этом явлении нет ничего таинственного или научного, насколько мне известно. Если вы держите карточки в бумажнике или в кошельке, они остаются относительно чистыми и легко считываются с первой попытки. Этот же метод хранения устраняет и первую проблему – непоправимый ущерб, нанесенный магнитной полоске.

Шарлотта Дадсуэлл

Петуорт, Западный Суссекс, Великобритания

У такого протирания магнитной полоски есть только один недостаток, с которым я часто сталкиваюсь в супермаркете. Потертую об одежду карточку труднее считать из-за статического электричества, которое затрудняет работу электронного считывающего устройства.

Протирание карточки в попытке убрать пыль может помочь один или два раза, но из-за статического электричества, которое при этом накапливается, после считывания на карточку налипнет еще больше пыли.

Сисси Азар

Сидней, Австралия

С возвращением!

«Почему бумеранг возвращается?»

Адам Лонгли

Барри, Саут-Гламорган, Великобритания

Бумеранг похож на два изогнутых крыла самолета, соединенных посередине. Перед броском его держат почти вертикально. Поскольку он изогнут, верхнее крыло летит быстрее, чем нижнее. При этом создается боковое давление на верхнее крыло (как подъемная сила на крыло самолета), более сильное, чем на нижнее, бумеранг кренится, как накренились бы и вы, если бы кто-нибудь надавил вам на плечо, траектория движения бумеранга становится кривой.

Подобно этому, если ехать на велосипеде наклонившись, велосипед будет поворачивать и в конце концов опишет круг. Бумеранг делает то же самое.

Алан Честер

Шеффилд, Южный Йоркшир, Великобритания

Возвращение бумеранга – сочетание аэродинамического и гироскопического эффектов. По сути дела, бумеранг – вращающееся крыло из двух и более лопастей аэродинамического профиля. Его бросают так, чтобы плоскость вращения находилась под углом 20° к вертикали и чтобы он быстро вращался (делал около 10 оборотов в секунду), чтобы верхние лопасти двигались в общем направлении движения. Поэтому верхняя часть бумеранга движется по воздуху быстрее нижней. Быстро движущиеся лопасти создают бо́льшую подъемную силу, чем медленно движущиеся. Возникает общая сила в направлении поворота плюс опрокидывающий вращающий момент.

Благодаря вращению бумеранг ведет себя как гироскоп. Когда возникает вращающий момент, гироскопический эффект заставляет бумеранг повернуться вокруг другой, почти вертикальной, оси. Таким образом меняется плоскость вращения бумеранга – он описывает дугу и возвращается к хозяину.

В движении бумеранга прослеживаются и другие эффекты – например, стремление к плоскому движению на обратном пути: вместо того чтобы двигаться под углом 20° к вертикали, он перемещается почти горизонтально. Это явление вызвано рядом аэродинамических эффектов в сочетании с гироскопической прецессией. Наиболее значительный эффект заключается в том, что лопасти на ведущей стороне вращающегося бумеранга создают подъемную силу большей величины, чем лопасти на ведомой стороне, из-за нарушения структуры воздушного потока со стороны ведомых лопастей. Это вновь вызывает вращение, которое поворачивает бумеранг к горизонтальной плоскости. Подробно весь процесс объясняется в статье Феликса Гесса в ноябрьском номере Scientific American за 1968 год.

Ричард Келсо и Филип Катлер

Университет Аделаиды, Южная Австралия

Если ограничиться простым ответом, большинство бумерангов не вернулись и возвращаться не собирались. Австралийские аборигены изготавливают бумеранги для охоты и сражений, а не для развлечения и игр, поэтому бумеранги, прилетающие обратно к хозяевам, известны далеко не на всем австралийском материке. Многим аборигенам улетевший бумеранг заменяют свежая пища или поверженный враг.

Я видел, как племя варлпири бросает бумеранг карли и поражает цель с расстояния более 100 метров. Наиболее опытные охотники мечут это смертоносное оружие с поразительной легкостью. Кроме того, варлпири в качестве оружия используют бумеранги вирлки (крючкообразные или в форме семерки).

Даже в тех районах Австралии, где летающие бумеранги не изготавливают, похожие на них парные лопасти используют в качестве ударных инструментов для церемоний. Такие бумеранги привозят для ритуальных целей за тысячи километров.

В Австралии делают множество самых разнообразных бумерангов. О них можно узнать в книге «Бумеранг: символ Австралии» (Boomerang: Behind an Australian Icon) Филипа Джонса, изданной Музеем Южной Австралии.

Чипс Маккинолти

Найтклифф, Северная территория, Австралия

Щелкающий бич

«Почему конец кнута щелкает?»

Дэвид Иннс

Фарнхем, Суррей, Великобритания

Щелканье кнута – на самом деле звуковой удар, вызванный достижением звукового барьера. Это вполне возможно, потому что кнут суживается к кончику. При взмахе энергия, приданная ручке, волной проходит по всей длине кнута. Пока волна движется по суживающемуся кнуту, поперечное сечение и масса кнута на ее пути уменьшаются.

Энергия этой волны – функция массы и скорости, и, поскольку она должна быть сохранена, при уменьшении массы скорость возрастает. Следовательно, волна распространяется все быстрее и быстрее, а к моменту достижения кончика кнута приобретает скорость звука.

Майк Капп

Оксфорд, Великобритания

Когда волна достигает кончика кнута, ей предстоит рассеяться. Часть энергии уходит в воздух, часть – в отраженную волну, пробегающую по кнуту в обратном направлении. В тот момент, когда волна достигает кончика кнута и уже собирается в обратный путь, на краткое время она приобретает колоссальное ускорение. Результат этого ускорения имеет сверхзвуковую природу.

Эндрю Плант

Лаймингтон, Гемпшир, Великобритания

Пролитый свет

«На лабораторной работе по физике наш учитель поставил зажженную свечу на вращающийся столик. Мы думали, что при вращении столика увидим, как кончик свечи отклонится наружу, а он вместо этого указывал внутрь круга. Это явление не смог объяснить даже директор школы. Может быть, вы сможете?»

Рут Хейвленд

Бетус-и-Коэд, Гуинет, Великобритания

Да, читатели смогли, но несмотря на то что ответов пришло много, понадобилось объединить их, чтобы составить ясное представление. Скажем сразу, что задача действительно серьезная. – Ред.

Моей первой реакцией было недоверие. Я поставил опыт сам – и действительно, пламя повело себя по-другому. Оно тянулось за свечой, которая вращалась по орбите вокруг центра столика. Точно так же пламя ведет себя, когда мы несем в руках зажженную свечу.

Гарет Келли

Учитель физики,

школа Пенглес, Аберистуит, Дивед, Великобритания

Прочитав вопрос, я нашел у себя на кухне свечу и поставил ее на вращающуюся доску для сыра. При скорости примерно 60 оборотов в минуту пламя просто тянулось за свечой и не отклонялось ни внутрь круга, ни наружу. Позднее в тот же день я повторил эксперимент с проигрывателем для пластинок, включенным на 78 оборотов в минуту, и результат оказался тем же. Или я что-то упустил?

Джон Эштон

Монмут, Гуэнт, Великобритания

Да, читатели из Диведа и Гуэнта, вы действительно кое-что упустили, хотя ваша деятельность и честность достойны похвал. Итак, сначала… – Ред.

Чтобы увидеть этот эффект, свечу следует поместить в какой-нибудь сосуд, иначе пламя оттянется назад. Итак, свечу – в банку, банку – на край вращающегося столика.

Дэвид Мей

Учитель физики,

муниципальный колледж Хинд-Лейз,

Шепшед, Лестершир, Великобритания

Причина, по которой пламя свечи направлено внутрь круга, – слабая центробежная сила, которую создает вращающийся столик.

Дэвид Блейк

Стерлинг, Великобритания

По мере вращения воздуха в банке на центрифуге более плотный воздух выходит с предсказуемыми последствиями. – Ред.

Пламя свечи наклоняется к центру круга по тем же причинам, по которым пламя направлено вверх, а не вниз. Нагретый пламенем воздух не такой плотный, как окружающий, поэтому более плотный воздух выходит из банки, отклоняя пламя свечи внутрь.

Если бы я была придирой, то возразила бы, что движение менее плотного пламени свечи ускоряет та же центростремительная сила. Согласно известному закону Ньютона для одной и той же силы произведение массы и ускорения одинаково. Если же масса уменьшится, ускорение должно возрасти. А школьникам достаточно просто понять, что сила больше действует на плотный воздух.

Сью-Энн Боулинг

Университет Аляски,

Фэрбенкс, Аляска, США

Можно также перейти к системам координат и математике. – Ред.

Понять, почему пламя свечи указывает внутрь круга, гораздо легче, если рассмотреть эту задачу в линейной системе координат. Представим, что вы едете в машине и держите за веревочку шарик с гелием. Вы резко затормозили. Что случилось с шариком? Ремень безопасности врезался вам в тело, а шарик отнесло к заднему сиденью. Все потому, что воздуху в машине присуща инерция, он продолжает двигаться вперед вместе с вами, а шарик стремится в область самого низкого давления и низкой плотности воздуха – в заднюю часть салона.

Подобно этому, пламя свечи обладает «плавучестью», своей формой оно обязано сложному взаимодействию между горячим воском у фитиля и температурой окружающего воздуха. Поэтому пламя тоже уплывает в направлении самого низкого давления – к оси вращения. Закончим аналогию: свеча, как и машина, движется с ускорением по отношению к воздуху, окружающему пламя, поэтому воздух направлен из круга радиально по отношению к свече, а пламя – к центру круга.

Том Тралл

Университет Тасмании, Австралия

В закрытой банке менее плотные газы пламени будут вытесняться к центру вращения под действием центростремительной силы. Можно определить арктангенс угла пламени (a / g) в плоскости с вертикалью (где а – центростремительное ускорение).

Тот же эффект можно продемонстрировать с помощью наполненного гелием шарика в машине. Шарик отклоняется вперед при ускорении, назад – при торможении и вбок – на поворотах. Применима та же формула. Для машины, которая обходит поворот дороги по дуге радиусом 20 метров со скоростью 50 километров в час отклонение должно составить около 44°.

Нил Хенриксон

Ректор высшей школы Джеймса Янга,

Эдинбург, Великобритания

И еще более простая демонстрация того же эффекта. – Ред.

Если поставить спиртовой уровень на вращающийся столик, расположив его как спицу в велосипедном колесе, а затем раскрутить столик, пузырек воздуха быстро придвинется внутрь круга. Более тяжелый спирт отталкивает к центру круга легкий пузырек.

Колин Сиддонс

Брэдфорд, Западный Йоркшир, Великобритания

Мячи с отклонениями

«Я играю в разные игры с мячом и часто вижу эффект Магнуса, который заставляет мяч, вращающийся по часовой стрелке (если смотреть сверху), отклоняться вправо. Если мяч подкрутить в обратном направлении, его полет будет долгим, по плавной траектории. Такие эффекты можно продемонстрировать с помощью кожаных футбольных мячей, мячей для большого и настольного тенниса. Но если попробовать подкрутить пластмассовый футбольный мяч, какие продают на заправках и пляжах, наблюдается совсем другое явление: вращение по часовой стрелке создает отклонение влево, а подкручивание в обратном направлении завершается досадным падением. Эти мячи такие же, как для настольного тенниса, только побольше, на них нет ни впадинок, ни других отметок, почему же они по-другому реагируют на подкручивание?»

Ричард Бриджуотер

Уолсолл, Западный Мидлендс, Великобритания

Этот феномен подробно описывался в статье «Изнанка игры в мяч» (The seamy side of swing bowling), опубликованной на с. 21 журнала New Scientist от 21 августа 1993 года; его удобнее всего объяснять с точки зрения «отделения пограничного слоя».

Когда мяч летит по воздуху, его поверхность покрыта тонким слоем воздуха, который мяч гонит с собой. Далее располагается непотревоженный воздух. Между воздушной пленкой и спокойным воздухом можно выделить тонкий пограничный слой. Перед мячом этот слой двигается медленно. Но, обтекая мяч, он постепенно набирает скорость и оказывает меньше давления (согласно закону Бернулли, который гласит, что, чем быстрее течет жидкость, тем меньшее давление она оказывает).

В определенный момент пограничный слой отделяется от поверхности мяча. Если мяч круглый и не подкрученный, это происходит в один и тот же момент на всей поверхности мяча. Если мяч подкрученный, отделение пограничного слоя происходит асимметрично, поэтому на одной стороне мяча пограничный слой занимает бо́льшую площадь, чем на другой. В итоге с одной стороны от мяча образуется бо́льшая область низкого давления, которая толкает мяч вбок.

При сильном свинге (созданном эффектом Магнуса–Робинса) вращающийся мяч несет с собой очень тонкий слой воздуха. Он смещает точку отделения пограничного слоя к задней части мяча, где вращение происходит в том же направлении, что и в окружающем потоке воздуха, и к передней части бока мяча, который движется против движения воздушного потока. Итогом становится область низкого давления на боку мяча, где продолжается пограничный слой, заставляющий мяч вращаться в этом направлении. Вот почему вращение по часовой стрелке вызывает отклонение мяча вправо. (Еще один способ описания происходящего: сдвиг точки отделения пограничного слоя смещает линии воздушного тока вокруг мяча и за ним в одну сторону, поэтому мяч отклоняется в другую).

Все это означает, что поток в пограничном слое ламинарный, его гладкие слои движутся один по другому, не перемешиваясь. На практике часть потока может быть турбулентной, с перемешиванием слоев воздуха, именно в этом случае может произойти смена направления вращения. Эксперименты показали, что турбулентные потоки держатся у поверхности мяча дольше, чем ламинарные. Поэтому если пограничный слой является турбулентным с одной стороны и ламинарным с другой, давление будет ниже в зоне турбулентности и мяч повернется в эту сторону.

При определенных обстоятельствах турбулентность может развиться сначала на той стороне мяча, которая движется против воздушного потока, поэтому здесь пограничный слой отделится позднее. Результатом будет обратный поворот. Образование турбулентной зоны зависит от вида мяча, его скорости, размера и вращения, поэтому обратное вращение встречается в некоторых видах спорта чаще, чем в остальных (см. следующие ответы).

В таких играх, как крикет, в которых используются мячи со швами, у подающих есть дополнительные возможности создать прямое или обратное вращение с помощью турбулентности. Опытные игроки могут подать мяч так, что он закрутится швом к воздуху под определенным углом. Шов влияет на поток воздуха, вызывает турбулентность пограничного слоя только на той стороне, где есть этот шов. Когда позднее пограничный шов отделяется, мяч закручивается непредсказуемо.

При достаточно быстрой подаче можно закрутить мяч в обратную сторону. Если мяч летит с огромной скоростью (более 130 километров в час), как бывает при подаче игроков мирового класса, воздух движется настолько быстро, что пограничный слой становится турбулентным еще до того, как достигнет области шва на мяче. В этом случае шов отталкивает пограничный слой, способствует его отделению от мяча раньше со стороны шва. После этого мяч неожиданно отклоняется в противоположном направлении. Это и есть знаменитый крученый мяч.

Такого же эффекта могут добиться рядовые игроки в крикет, если у них заслуженный мяч: на шероховатой поверхности турбулентный пограничный слой образуется легче. Разумеется, умышленная порча мяча запрещена правилами. – Ред.

Обратное отклонение пластмассового футбольного мяча происходит из-за отделения пограничного слоя. Сбоку от мяча, где относительная скорость воздуха и мяча больше, поток воздуха в пограничном слое становится турбулентным. С другой стороны он остается ламинарным. Ламинарный пограничный слой отделяется от поверхности мяча сразу же, как только поток воздуха перестает прижимать его к поверхности. В отличие от него, турбулентный пограничный слой остается в контакте с поверхностью мяча дальше по его окружности. В итоге задняя по ходу движения часть мяча отклоняется в направлении, противоположном его вращению. Возникает сила, направленная к боку мяча, который движется в направлении, противоположном потоку воздуха (справа налево – для мяча, закрученного по часовой стрелке).

Эксперименты показывают, что основной фактор, управляющий отклонениями мяча, – отношение скорости вращения его поверхности к скорости прямолинейного движения. Обратное отклонение наблюдается, когда это соотношение мало (меньше 0,4), а эффект Магнуса проявляется при более высоких соотношениях. Этим объясняется, почему быстро крутящийся теннисный мяч вращается в направлении, противоположном футбольному.

Оливер Харлен

Университет Лидса,

Западный Йоркшир, Великобритания

Отклонение вращающегося мяча обычно приписывают эффекту Магнуса, но еще за 100 лет до Гейнриха Магнуса Бенджамин Робинс изучал вращение пушечных ядер, а в 1742 году опубликовал подробное объяснение, почему ядра даже в безветренные дни отклоняются от траектории.

Брайан Уилкинс

Веллингтон, Новая Зеландия

В настоящее время во многих публикациях эффект называется эффектом Магнуса–Робинса. Не следует забывать, что еще в 1672 году Исаак Ньютон писал о том, как вращение влияет на полет ядра. – Ред.