Рэндалл Манро - А что, если?.. Научные ответы на абсурдные гипотетические вопросы

• Название: А что, если?.. Научные ответы на абсурдные гипотетические вопросы
• Автор: Рэндалл Манро
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-17-088495-7

Эта книга – продолжение одного из самых знаменитых научно-популярных сайтов всех времен. Рэндалл Манро – инженер НАСА, ученый, художник и создатель невероятно популярного интернет-комикса xkcd.com – пытается найти серьезные ответы на самые невероятные вопросы, которые присылают ему посетители его сайта. Оказывается, о самых серьезных научных проблемах можно говорить легко и с большим юмором. Если вы любите науку, комиксы, Интернет и хорошую шутку – эта книга для вас.

В формате pdf A4 сохранен издательский дизайн.

---

Есть несколько исключений. В Кларендонской библиотеке Оксфордского университета есть колокольчик на батарейке, который работает с 1840 года. Его звон практически не слышен, а на каждый удар молоточка тратится микроскопическая доля заряда. Никто толком не знает, какая именно батарея используется в колокольчике, потому что никто ни хочет разбирать его.

К сожалению, никакого света колокольчик не дает.

Ядерные реакторы

Долговечность ядерного реактора – непростой вопрос. Перейдя в режим низкой мощности, реактор может работать почти бесконечно, так высока удельная энергоемкость ядерного топлива.

Как сказано в одном интернет-комиксе:

К сожалению, на практике реакторы все равно проработают недолго. Как только хоть что-нибудь пойдет не так, ядро реактора автоматически перейдет в режим остановки. Возможно, это произойдет довольно быстро; причиной могут стать разные факторы, но наиболее вероятным будет отключение подачи энергии на реактор.

Может показаться странным, что для работы энергетической станции требуется внешний источник энергии, но каждая часть управляющей системы ядерного реактора спроектирована так, чтобы любой сбой немедленно заставил реактор остановиться. Как только извне перестанет поступать энергия – из-за того ли, что внешняя электростанция перестанет работать, или у запасных генераторов закончится топливо, – реактор отключится.

Космические зонды

Из всех творений человека наши космические аппараты могут оказаться самыми долговечными. Некоторые из них останутся на орбите на миллионы лет, но их электрическое оборудование не проживет так долго.

Пройдут столетия, и наши марсоходы будут погребены глубоко в пыли. К тому времени многие спутники рухнут обратно на землю, сойдя с орбиты. Спутники GPS на дальних орбитах протянут дольше, но со временем даже самые стабильные орбиты будут искажены под влиянием Луны и Солнца.

Многие космические аппараты работают за счет солнечных панелей, другие за счет энергии радиоактивного распада.

Марсоход «Кьюриосити», к примеру, использует энергию тепла, выделяемого кусочком плутония: этот радиоактивный материал находится в контейнере, укрепленном на вертикальном штоке.

«Кьюриосити» мог бы получать электроэнергию в течение более чем ста лет. В конце концов напряжение станет слишком слабым для его работы, но скорее всего, другие детали машины износятся еще раньше.

Итак, «Кьюриосити» выглядит многообещающе. Есть одна проблема – у него отсутствуют какие-либо осветительные приборы.

Строго говоря, у «Кьюриосити» есть фары – он использует их, чтобы подсвечивать образцы и проводить спектроскопию. Однако они включаются только тогда, когда проходят измерения. Без соответствующих инструкций (которые должны дать люди) у него не будет повода их включать.

Если на борту нет людей, космическому аппарату не очень-то нужны источники света. Зонд «Галилео», который исследовал Юпитер в 1990-е, был снабжен несколькими светодиодами в механизме устройства, записывавшего информацию о полете. Но поскольку они излучали волны в инфракрасном диапазоне, называть их «огнями» не вполне корректно. Да и в любом случае «Галилео» больше нет – как и было запланировано, зонд врезался в Юпитер в 2003 году[28].

На других наших аппаратах тоже имеются источники света. Например, некоторые спутники GPS используют ультрафиолетовые светодиоды, чтобы контролировать статическое напряжение на поверхности оборудования, и эти элементы работают от солнечных батарей. Теоретически они могут работать столько, сколько будет светить Солнце. К сожалению, большая их часть не протянет хотя бы столько, сколько «Кьюриосити», и рано или поздно будет уничтожена в результате столкновения с космическим мусором.

Но солнечные батареи используются не только в космосе.

Солнечная энергия

Телефонные будки для экстренных вызовов, стоящие вдоль дорог в отдаленных местностях, часто работают на солнечной энергии. Обычно они оборудованы фонариком, который горит по ночам.

Так же как и ветряки, эти заброшенные в глуши устройства довольно хлопотно обслуживать, поэтому они спроектированы в расчете на длительную работу. Если солнечные панели периодически очищать от пыли и мусора, они проработают так же долго, как и электроника, которая к ним подключена.

Провода и электрические контакты рано или поздно разъест коррозия, но солнечные панели, находящиеся в сухом месте и подключенные к качественной электронике, смогут спокойно вырабатывать энергию в течение столетия, особенно если ветер или дождь время от времени будут очищать их от пыли.

Если следовать четкому определению понятия «свет», то огни, получающие питание от солнечных батарей в удаленных уголках планеты, могли бы оказаться последним уцелевшим источником искусственного света[29].

Но есть еще один претендент, и он довольно странный.

Эффект Вавилова – Черенкова

Обычно радиоактивность невидима.

Когда-то циферблаты часов покрывали слоем радия, чтобы они светились. Однако светилась не сама радиоактивность, а фосфоресцирующая краска, наносившаяся поверх радия и испускавшая свет под действием излучения. С годами краска осыпалась, и хотя эти часы все еще радиоактивны, они уже не светятся.

Однако циферблаты – не единственный радиоактивный источник света.

Когда радиоактивные частицы проходят через материалы наподобие воды или стекла, они светятся, поскольку движутся быстрее скорости света в этой среде (но, конечно, медленнее скорости света в вакууме). Это называется эффектом Вавилова – Черенкова, его пример – узнаваемое голубое свечение ядра ядерного реактора.

Некоторые из наших радиоактивных отходов, например цезий-137, расплавляют и смешивают со стеклом, затем охлаждают в плотные бруски, которые обматывают изоляцией для безопасной транспортировки и хранения.

В темноте они светятся синим.

Цезий-137 имеет период полураспада 30 лет, значит, спустя двести лет они все еще будут светиться с мощностью в 1 % от изначальной радиоактивности. Свет будет угасать со временем, но сохранит тот же синий цвет.

Вот и ответ. Спустя столетия в безлюдных бетонных бункерах будет по-прежнему светиться синим светом наш радиоактивный мусор.

Пулеметный ракетный ранец

ВОПРОС: А что, если построить ракетный ранец, использовав для этого автомат, направленный стволом вниз?

– Роб Б.

ОТВЕТ: Я был несколько удивлен, когда узнал, что эту идею вполне можно реализовать! Но чтобы сделать все правильно, придется договариваться с русскими.

Принцип здесь довольно простой. Если вы стреляете вперед, отдача толкает вас назад. Следовательно, если стрелять вниз, отдача должна подбросить вас вверх.

Прежде всего нам придется ответить на вопрос, сможет ли автомат в принципе поднять собственный вес? Если он, допустим, весит 4 кг, а сила его отдачи – всего 3 кг, автомат не сможет оторваться от земли, не говоря уже о том, чтобы заодно поднять человека.

В инженерном деле соотношение веса и отдачи называется тяговооруженностью. Если она меньше единицы, аппарат не сможет подняться в воздух. Ракета-носитель «Сатурн-5» обладала тяговооруженностью, примерно равной 1,5.

Я не большой эксперт в области огнестрельного оружия (несмотря на то, что вырос на юге США), поэтому для того, чтобы ответить на вопрос Роба, я связался со своими приятелями в Техасе[30].

Примечание: ПОЖАЛУЙСТА, не пытайтесь проделать это дома!

Как выясняется, у автомата Калашникова АК-47 тяговооруженность составляет примерно 2. Это значит, что, если поставить его автомат стволом и каким-то образом зафиксировать спусковой крючок в нажатом состоянии, автомат должен подняться в воздух, одновременно выпуская очередь.

Это верно не для всех видов автоматического оружия. Например, американской винтовке М-60, скорее всего, не хватит отдачи, чтобы оторваться от земли.

Сила тяги, которую развивает ракетный двигатель (или стреляющий автомат Калашникова), зависит, во-первых, от массы выброса, а во-вторых, от того, насколько быстро он ее выбрасывает. Тяга – это произведение двух этих величин.

Если АК-47 выпускает десять пуль весом по 8 граммов каждая за одну секунду, а начальная скорость каждой пули – 715 м/с, то тяга составит:

Так как заряженный АК-47 весит всего 4,8 кг, то он, по идее, должен взлететь и начать ускоряться вверх.