От динозавра до компота. Ученые отвечают на 100 (и еще 8) вопросов обо всем - Татьяна Зарубина

Удивительный мир квантовой физики, законы которого озадачивают даже профессионалов и объяснить которые наглядно практически невозможно, за несколько десятилетий до неузнаваемости изменил и привычный мир, окружающий нас. Компьютеры, спутниковое телевидение, планшеты и смартфоны – все это результаты исследования свойств твердых тел методами квантовой физики и использования этих свойств для решения актуальных технических задач.

Человеку давно хотелось научиться летать подобно птицам. Среди изобретений великого Леонардо да Винчи есть и конструкция «махолета» – механизма, который должен был перемещаться по воздуху, взмахивая крыльями. Но изобретатели самолетов пошли другим путем. Главным движущим элементом стал винт – набор прикрепленных к оси лопастей. Так, вертолет при помощи винтов, заменивших машущие крылья, отбрасывает воздух, отталкиваясь от него. Сила отдачи воздуха, она же – сила тяги, позволяет вертолету как зависать на месте, так и двигаться в нужном направлении. Однако движутся вертолеты намного медленнее самолетов, да и груза они могут взять на борт совсем немного.

Принцип «удержания» самолета при полете на одной и той же высоте совсем другой. Он связан с особым обтеканием корпуса и крыльев самолета воздухом. Именно на жестко связанные с корпусом крылья самолет «опирается» при движении в воздухе. Учитывая большой вес «железной птицы», количество обтекающего ее воздуха должно быть значительным, что, соответственно, требует большой горизонтальной скорости. Горизонтальную скорость обеспечивают вращающиеся винты (либо реактивные турбины), а вот противодействие силе тяжести обеспечивает совсем другой механизм. Главным здесь является специальная форма тела (поперечного сечения) самолета.

Представим заостренное тело цилиндрической формы, которое движется по воздуху в направлении своей оси. Цилиндр, «внедряясь» в покоящийся воздух, его уплотняет, одновременно создавая разреженность сзади. Упругий воздух, сжимаясь, выталкивается назад, и обычный цилиндр будет обтекаться воздухом одинаково со всех сторон. А если сверху цилиндра приделать «возвышение»? Тогда струи воздуха, обтекающие цилиндр, сверху будут двигаться быстрее, чем снизу. Потому что верхние струи воздуха, встречая на пути «выпуклости» корпуса, убыстряются как в сужающейся трубе.

Знаменитый швейцарский физик XVIII века Даниил Бернулли, описывая динамику жидкостей и газов, доказал, что «в потоке воздуха давление больше там, где скорость воздуха меньше». То есть в нашем случае – внизу, под цилиндром. Но сила, способная удержать движущееся сквозь воздух тело, определяется еще и площадью поверхности, вдоль которой эта разность давлений – меньшее сверху и большее снизу – будет приложена. И вот здесь на помощь цилиндрическому корпусу приходят крылья. Как известно, нижняя кромка крыла практически плоская, а вот верхняя его поверхность выпуклая («горбатая»).

Такая форма крыльев и обеспечивает необходимую подъемную силу цилиндру-самолету. У современных самолетов крылья могут менять форму при помощи дополнительных подкрылков, которые и помогают самолету менять высоту при движении.

Ежесекундно жители Земли наблюдают около 2000 молний. В среднем каждые 50 из них долетают до Земли с самыми непредсказуемыми последствиями. Средняя температура молнии приблизительно в 6 раз больше температуры Солнца. И хотя разряд молнии длится совсем малые доли секунды, сила тока в них громадна. Можно показать, что приносимая одной молнией энергия сопоставима с электроэнергией, потребляемой за месяц небольшой семьей. Неудивительно, что на ум может прийти фантастическая мысль: а нельзя ли хотя бы частью этой энергии распорядиться с пользой для человека?

Первым, кто рискнул исследовать природу реальной молнии, был американец Бенджамин Франклин. Он сначала провел знаменитый эксперимент с воздушным змеем и наблюдал во время грозы электрические искры на конце привязанной к нему проволоки, а потом первым установил, что основания грозовых облаков обычно заряжены отрицательно. А вот как в конце XIX века современники описывали «молниемет» великого изобретателя Николы Теслы: «Гром от высвобождаемой энергии можно было услышать за 15 миль. Люди, идущие по улицам, были поражены, наблюдая искры, скачущие между их ногами и землей, или электрические огоньки, выпрыгивающие из крана, когда кто-нибудь откручивал его, чтобы напиться воды. Лошади в сбруе получали электрошоковые удары через металлические подковы. Даже насекомые были повреждены: бабочки стали наэлектризованными и беспомощно кружились кругами, их крылья били струйками синих ореолов огней Эльма».

В 90-х годах XX века ученые научились вызывать молнии, не подвергая ничью жизнь опасности, например запуская с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Ионизуя воздух по мере движения к туче, ракета создает каналы для будущих разрядов молнии. Впоследствии ионизацию воздуха в предгрозовой атмосфере научились создавать при помощи лазерного луча.

Несколько последних десятилетий умы изобретателей будоражит мысль о создании молниевых ферм – станций по накапливанию и последующему использованию энергии молний. Отсутствие прогресса в реализации этой идеи связано с особенностями протекания молниевых процессов. Прежде всего это исключительная быстротечность каждой молнии, зачастую их каскадная множественность и резкое отличие молний по мощности даже в одном каскаде. Уже все это невероятно усложняет практическое применение молний. Кроме того, хотя с помощью спутников уже построены подробнейшие карты тех мест, где молнии происходят наиболее часто, по-прежнему никогда заранее неизвестно ни место, ни время очередной грозы.

И в завершение нашего рассказа еще одна история. В 1953 году биохимики Стенли Миллер и Гарольд Юри показали, что одни из «кирпичиков» жизни – аминокислоты – могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы «первобытной» атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет это открытие было подтверждено другими исследователями. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль. А о каких открытиях, связанных с молнией, человечеству предстоит еще узнать!