Текст книги "Простые вопросы. Книга, похожая на энциклопедию"

Как летает самолет?

Всякий раз перед посадкой самолета в салоне можно услышать: «Ну как такая махина вообще взлетает?» Сам удивляюсь, хотя изучал механику сплошных сред.

Дело в том, что нас обманывает интуиция. Кажется, что самолет поднимает вверх напор встречного воздуха, а причина совсем в другом.

Загадка подъемной силы крыла самолета сначала была решена на практике. В 1876 году контр-адмиралом российского флота Александром Можайским была построена модель самолета – «летучка» – с тремя винтами, приводившимися в движение заведенной часовой пружиной. В 1903 году братья Уилбур и Орвилл Райт построили настоящий самолет с бензиновым двигателем, решив главную проблему – управление полетом, а в 1906 году русский профессор Николай Жуковский теоретически объяснил возникновение подъемной силы крыла и дал формулу ее расчета.

Подъемная сила крыла объясняется тем, что при движении самолета струи воздуха обтекают крыло и давление воздушной среды на него изменяется. На верхней стороне благодаря выпуклости крыла и наличию положительного угла атаки (наклону плоскости крыла по отношению к направлению движения самолета) воздух в струе движется с большей скоростью, чем на нижней, обычно плоской стороне. В результате давление воздуха на нижней стороне крыла оказывается больше, чем на верхней. Это и означает возникновение подъемной силы.

Если взять полоску бумаги и подуть вдоль нее сверху, то давление воздуха на верхней стороне снизится и полоска поднимется вверх. Так действует подъемная сила, такая же, как и на крыле самолета. И так же, как при обтекании крыла, вдоль верхней поверхности полоски воздух движется быстро, а под нижней практически замирает. От этого и возникает разность давлений.

При разбеге и полете самолет должен достичь определенной скорости, чтобы подъемная сила сравнялась с его весом.

Надо заметить, что разность давлений на сторонах крыла не так велика. Например, новейший аэробус А-380 при полной загрузке и заправке имеет вес не более 560 тонн, а площадь его крыльев чуть меньше 1700 м2. Поделив одно на другое, получаем, что для подъема этого гиганта средняя разность давлений на крыло должна быть всего 0,033 атмосферы, то есть 33 г/см2. Приблизительно такую же величину составляет нормальное давление в легких человека.

Самый маленький самолет в мире BD-5T имеет длину менее 4,5 м. Он стоит около 45 000 долларов, и его можно собрать из поставляемых деталей. Взлетный вес BD-5 равен 413 кг, а площадь крыльев составляет приблизительно 8 м2. Получается, что для его взлета достаточно перепада давлений между нижней и верхней поверхностью крыла всего 0,005 атмосферы. Это в семь раз меньше, чем для аэробуса, но ведь тот и весит в 1500 раз больше. Пожалуйста, сами решите, чему удивляться.

Изучая принципы полета, я наткнулся на самоучитель для вертолетчиков и прочел такую фразу: «В то же самое время вы должны использовать вашу другую руку на рычаге контроля, который находится прямо перед вами, чтобы переместить вертолет вперед, назад или в любую другую сторону, как будто вы управляете обычным самолетом».

Как мы видим?

Еще со школы мы все хорошо знаем: человек видит благодаря тому, что у него в глазу имеется сетчатка, состоящая из светочувствительных клеток – колбочек и палочек. Меняющий свою форму хрусталик проецирует отражаемый окружающими предметами свет на сетчатку и создает на ней изображение этих предметов. Весьма похоже на цифровой фотоаппарат с трансфокатором и светочувствительной полупроводниковой матрицей вместо сетчатки. Палочки и колбочки преобразуют свет в электрические сигналы, которые и передаются в мозг, запуская сложнейший процесс видения. Для этого мозг использует не только информацию, поступающую к нему в данный момент, но и накопленный ранее опыт. Собственно, то, что мы видим, – это основанная на предыдущем опыте интерпретация поступающих сигналов. В частности, этот опыт используется для управления движением глаз при рассматривании.

Известно, например, что лягушка видит только движущиеся объекты. Почему же человек умеет видеть неподвижные предметы? Оказывается, что и он через 1–2 секунды перестает воспринимать неподвижные изображения, если освещенность каждой из колбочек и палочек не меняется. Однако в нормальных условиях глаз человека постоянно совершает скачкообразные микроскопические движения, и информация о наблюдаемом объекте все время возобновляется, благодаря этому он остается видимым.

При рассматривании изображения глаз также совершает постоянные движения, сосредоточивая внимание и многократно возвращаясь к наиболее важным и информативным деталям, которые формируют запоминающийся образ объекта. Например, если речь идет о лице, то щеки разглядываются редко, а вот глаза, нос, губы – чаще. Вероятно, поэтому нам удается рассматривать абстрактные картины Пикассо, выполненные в технике кубизма. На них могут быть изображены одновременно такие важные фрагменты, которые не видны все сразу при рассматривании прототипа.

Удивительно и то, что человек может рассматривать движущиеся объекты. Во-первых, ему удается следить за ними взглядом (опять-таки благодаря движению глаз, но не скачкообразному, а плавному). Во-вторых, мозг умеет сливать набор дискретных кадров, получаемых на сетчатке вследствие скачкообразных микродвижений, в плавную непрерывную картину. Получается, что, рассматривая движущиеся объекты, мы все время смотрим кино. Справедливо и обратное: если мы будем рассматривать ряд статических кадров, фиксирующих последовательные положения наблюдаемого объекта, то при достаточно высокой частоте смены кадров увидим непрерывное движение. Именно так и устроен кинематограф.

Конечно, это далеко не все даже из открытых секретов видения. Свойства глаза человека и особенности его психики обязательно учитываются при проектировании современных видеосистем – камер, телевизоров и компьютерных дисплеев. Как мы видим, они становятся все лучше и лучше.

Как мы слышим?

Известно, что человек обладает пятью органами чувств. Считается, что более 80 % информации поступает через зрение. Наверное, это правда. Каждый пользующийся компьютером знает, что картинки информационно очень емкие. Но информация, которую человек лучше анализирует, скорее всего, поступает к нему через слух. Он нужен человеку не только для того, чтобы слышать природные или техногенные звуки, но и для того, чтобы воспринимать речь. А обладание речью – это уникальное преимущество человека. Есть гипотеза, по которой неандертальцы проиграли Homo sapiens из-за того, что не сумели овладеть членораздельной речью и поэтому не смогли научиться передавать опыт поколений.

Об устройстве уха нам рассказывают еще в школе. Человек слышит благодаря тому, что в воздухе распространяются звуковые волны. Проникая через наружное ухо, они достигают барабанной перепонки, которая начинает вибрировать под действием переменного давления. Барабанная перепонка отделяет наружное ухо от так называемого среднего, в котором имеется специальный тонко устроенный механизм – слуховые косточки: молоточек, наковаленка и стремечко. Через них колебания барабанной перепонки, соединенной с молоточком, передаются на мембрану уникального устройства во внутреннем ухе, которое называется улиткой. Это устройство предназначено для первичного анализа частоты звука. Но на этом дело не заканчивается. Колебания мембраны улитки передаются контактирующим с ней волосковым клеткам, которые преобразуют механические колебания в электрический сигнал, поступающий по слуховому нерву в мозг.

При серьезных заболеваниях среднего или внутреннего уха сейчас используют электронные протезы, в которых звук преобразуется в электрический сигнал и поступает непосредственно к слуховому нерву.

Итак, сигнал поступил в мозг, и дальше идет его обработка. И тут оказывается, что слухов-то у нас несколько. Один тип обработки сигналов позволяет определять направление источника звука. Это называется пространственным слухом. Другой тип обработки позволяет определять высоту звука. Это называется тональным слухом. Совершенно иначе анализируются нетональные звуки – щелчки, удары и т. д. В зависимости от того, какая задача решается, мозг использует разный анализ и, следовательно, разный слух. Поэтому мы даже не можем говорить о наличии единого механизма слуха.

Наш слух имеет очень широкий диапазон. Звук падающей листвы – минимальный по мощности звук, который мы можем услышать. А рев реактивного самолета – максимальный, который слышен без боли. Разница по энергии между тем и другим – 10 млн раз. Чтобы ухо могло приспособиться к такой огромной разнице, специальные мышцы управляют натяжением барабанной перепонки и взаиморасположением слуховых косточек в среднем ухе – молоточка, наковаленки и стремечка. Экспериментаторы, которым приходится работать в заглушенных камерах, рассказывают, что в полной тишине они испытывают напряжение, а иногда головную боль. Это связано с тем, что предельно напрягаются мышцы, управляющие барабанной перепонкой и слуховыми косточками, в попытке обеспечить уху регистрацию слабого звука.

Между прочим, звук падающей листвы имеет всего в три раза большую энергию, чем звук, вызываемый хаотичным стуком молекул воздуха в барабанную перепонку. Природа и тут все «продумала». Она сберегла нас от того, чтобы слышать этот назойливый случайный шум.

По качеству слуха – чувствительности и диапазону частот воспринимаемых звуков – человек уступает многим живым существам. Но по умению извлекать информацию, заключенную в звуках, превзошел всех.

Как мы узнаём друг друга?

То, что люди могут узнавать друг друга, очень значимо для их существования. Без этого невозможны никакие формы общественной жизни, а человек – существо общественное. Да и для животного мира это не менее важно.

Процесс узнавания на самом деле очень сложен. И конечно, поражает, как много объектов, которые человек может узнать, вмещается в его памяти.

Как же это получается? Оказывается, что человек, наблюдая, например, изображение, не укладывает его полностью в долговременную память. Сначала ведется довольно подробный анализ. Начинается он с того, как человек осматривает какой-то объект, например лицо другого человека. Выполнено немало работ, зафиксировавших, как сложно при этом движется глаз, в каких местах сосредоточивается и т. д. Это происходит не просто так. Подобное движение управляется мозгом, раскладывающим увиденное на целый набор упрощенных изображений. Такое упрощение называется фильтрацией, или выделением характерных признаков. Например, оказывается, что у каждого изображения есть скелет и карта точек пересечения линий. Движение глаза управляется так, чтобы собранные признаки характеризовали изображение наиболее полно и достоверно. Выяснилось, что упаковать в памяти эти признаки гораздо легче, расходуется меньше ресурсов.

А дальше получается следующее. Всякий раз, когда человек сталкивается с каким-то новым объектом, он пытается сопоставить его с тем, что заложено в памяти предыдущим опытом. После того как через волокна зрительного нерва сигналы рецепторов глазной сетчатки – колбочек и палочек – поступают в мозг, они подвергаются очень сложной обработке, в которой участвует довольно много его структур. В частности, при этой обработке происходит выделение большого числа элементарных признаков изображения, по которым оно и сравнивается с тем, что есть в памяти. И если находится много совпадений, то мозг принимает решение, тот это объект или нет. Разглядывать, узнавать и запоминать объекты совсем нового, не встречавшегося ранее класса человеку не так легко. Например, известно, что без привычки трудно распознавать лица людей, принадлежащих к другим расам.

Иногда бывают ситуации, что человек не успевает как следует разглядеть новый объект, а «машина» узнавания уже запущена, и черты объекта достраиваются мозгом, восстанавливая целостный образ. Например, известен случай в наполеоновской армии, когда один солдат протянул другому рыбу, а тот клялся, что он замахнулся на него ножом. Просто не произошло такого опознавания.

У опознаваемого человека может быть много признаков: он как-то характерно стоит или движется, как-то выглядит, у него может быть характерный голос, даже характерное построение речи. И поэтому иногда человека можно узнать, даже если изменились какие-то признаки, по другим, которые подверглись меньшим изменениям.

Это второе удивительное свойство, что человека можно опознать даже по части его признаков, восстановив в памяти все остальные. (Когда мы с братом встречали мать на автобусной остановке, мне всегда было интересно, одинаковой ли мы ее видим.)

Изучение механизмов распознавания – колоссальная работа, которая выполнялась в основном в течение XX века. Трудно выделить кого-то одного, сделавшего в этом прорыв. Но поражает, как много изучено. И то, что эти представления о работе мозга достаточно справедливы, подтверждается тем, что многие из способов анализа, скажем, изображений и звуков могут быть воспроизведены с помощью компьютеров. Например, буквально несколько месяцев назад компания Google продемонстрировала многопроцессорную систему, отчасти воспроизводящую структуру мозга, которая распознает изображения быстрее и надежнее человека. Сейчас вы можете купить робота (скажем, в Японии), который умеет узнавать хозяина, предметы, обстановку и выполнять довольно сложные целесообразные действия.

Таким образом, нам удается узнавать друг друга, потому что в мозгу очень экономно хранятся признаки предметов, достаточные для того, чтобы восстановить представления о предмете в целом. Это самый главный механизм, по которому мы узнаем друг друга.

И это позволяет сказать близкому другу, которого мы не видели двадцать лет: «Слушай! Где тут у тебя соль?»

Как образуется эхо?

Эхо описано еще в древнейших мифах. А в мифах остается только самое-самое значимое, что поражает людей.

Происхождение эха первым объяснил Аристотель в IV веке до н. э. Он догадался, что звук – это распространяющаяся волна попеременного сжатия и разрежения воздуха, которая может отражаться от препятствий и таким образом возвращаться к нам звуком. С тех пор, однако, трудами многочисленных ученых созданы весьма точные теории, которые позволяют рассчитывать распространение и отражение волн в самых разных средах и условиях.

Кроме того, было обнаружено, что звуковые волны могут распространяться и в жидкостях, и в твердых телах, а еще существуют волны совсем другой физической природы, например электромагнитные.

Электромагнитные волны также могут отражаться от препятствий. Значит, и для них существует феномен эха. На нем построена работа радаров. Измерение промежутка времени между посланным электромагнитным импульсом и пришедшим на приемник отраженным сигналом позволяет определить расстояние до объекта, отразившего волну.

Заметим, что, хотя радар и человеческое изобретение, природа использовала этот принцип гораздо раньше. Похожим образом ориентируются в пространстве летучие мыши, дельфины и некоторые виды тюленей, посылающие ультразвуковые сигналы.

Теория волн показывает, что многообразие способов приема и обработки волновых сигналов гораздо более велико, чем используется человеческим слухом. Так, например, посылая внутрь человеческого тела ультразвуковые волны вдоль разных направлений, мы можем составить карту всех органов. Существуют и методы измерения скорости движения и вибрации внутренних объектов.

Еще 50 лет назад это было чудом, а сейчас стало распространенным методом диагностического обследования, называемым УЗИ. Меня, например, поразило, что посредством ультразвука можно увидеть лицо еще не родившегося младенца. Так было обнаружено, что младенец, оказывается, гримасничает, сердится, улыбается.

Интересно, что с физической точки зрения обнаружение эха, создаваемого отражением импульса, отличается от обнаружения эха непрерывного шумового сигнала только способом обработки информации. На этом принципе, кстати, россиянам в 90-х годах прошлого века удалось построить оптический прибор для исследования тонких слоев биологических тканей и других материалов. Он словно бы регистрирует эхо светового импульса длиной всего одну миллионную часть от одной миллиардной доли секунды. Сейчас подобные приборы – оптические томографы – достаточно широко распространены в мире.

Утверждают, что эхо есть и во Вселенной. Дело в том, что, хотя вещество в ней чрезвычайно разрежено и о непосредственном упругом взаимодействии, необходимом для образования волн, не приходится говорить, благодаря гравитационным силам волны все-таки образуются.

Вопрос о том, как возникает эхо, с научной точки зрения очень прост: это волны отражаются от препятствий. Но как подумаешь, какое разнообразие волн в природе и какое существует огромный выбор возможностей обработки этих сигналов, понимаешь, что это простое явление можно с пользой применить в жизни.

Как строили египетские пирамиды?

Наиболее распространено предположение, что египтяне строили пирамиды, чтобы сохранять в них мумии фараонов – земных воплощений бога. По тогдашним верованиям, до сих пор сохраняющимся у их потомков – коптов, душа не могла существовать без тела. Есть предположения, что одновременно могли преследоваться и другие цели – сакральные, идеологические и экономические.

Размеры и точность пропорций и ориентации пирамид по сторонам света на протяжении столетий поражают воображение. Как же строителям удавалось с такой точностью изготавливать и подгонять друг к другу каменные блоки? Как у них получалось передвигать такие тяжести? Как люди могли так точно соблюдать размеры пирамид и их ориентацию по сторонам света?

По археологическим данным, первая египетская пирамида была построена более 4500 лет назад при фараоне Джосере. До этого для погребения фараона строили более простое сооружение в форме усеченной пирамиды с прямоугольным основанием – мастаб, что по-арабски означает «скамья». Пирамида Джосера, отлично сохранившаяся до сих пор, представляет собой шесть поставленных друг на друга мастаб уменьшающегося размера, то есть имеет ступенчатую форму. Размеры основания – 125 × 115 м, высота 62 м. Она сложена из каменных блоков, средний вес которых составляет 2 т, хотя есть блоки и большего размера. Блоки подогнаны друг к другу очень точно и не скреплены никаким раствором.

Более поздние сооружения имеют строго пирамидальную форму за счет того, что ступенчатое основание покрывали специальной облицовкой, двигаясь сверху вниз. Согласно современным археологическим данным, пирамиды возводились наемными строителями, разделенными на несколько соревнующихся бригад. К работам в свободное время привлекались и крестьяне.

Блоки для строительства изготавливались из известняка. В его массиве проделывались отверстия – шурфы, в которые загоняли сухие деревянные клинья, которые затем поливали водой. Клинья разбухали, и глыба отламывалась. По одной версии, далее глыбы обтесывались и пришлифовывались. По другой – известняк размалывался и на его основе готовилась бетонная смесь. При этом предыдущие, уже уложенные в тело пирамиды блоки использовались как часть опалубки. Такая технология гораздо более экономична и легко объясняет высокую точность подгонки блоков. Важно, чтобы они не были скреплены друг с другом, иначе тело пирамиды лопнет от внутренних напряжений.

«Бетонная» версия подтверждается анализом состава облицовочных плит. Французский химик Иосиф (Джозеф) Давидович обнаружил в нем 13 компонентов, отсутствующих в окружающих каменных карьерах, то есть внесенных добавок.

Другой ученый, археолог-любитель Рональд Уайетт, смог разобраться, как с помощью простых деревянных рычажных машин, похожих на качели, можно с легкостью перемещать тяжелые блоки. Любопытно, что методом знаменитого лингвиста Жана-Франсуа Шампольона расшифрованы описания этих устройств и рецепт бетона.

В размерах, пропорциях и ориентации пирамид зашифрованы знания по астрономии и математике, удивляющие современных специалистов. Стены пирамид поднимаются под углом от 51 (пирамида Менкаура) до 53 (пирамида Хефрена) градусов к горизонту. Возможно, этот угол воплощает в пирамиде значение числа «пи» (при угле в 51–53 градуса отношение полупериметра основания пирамиды к ее высоте с точностью до 4 % равно отношению длины окружности к ее диаметру).

Самая большая из всех известных – пирамида Хеопса, имеющая размеры 230 × 230 × 147 м, – сориентирована на север с точностью в три угловые минуты. Многие специалисты считают такую точность невероятной, за пределами человеческих возможностей. Между тем, чтобы попасть в сантиметровое яблочко мишени с расстояния 50 м, мастеру по стрельбе нужно навести винтовку с не меньшей точностью. По всему получается, что строительство поражающих наше воображение сооружений было вполне доступно человеческому гению еще в древности.