Владимир Антонец - Простые вопросы. Книга, похожая на энциклопедию

• Название: Простые вопросы. Книга, похожая на энциклопедию
• Автор: Владимир Антонец
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-00057-961-9

В этой книге Владимир Антонец, профессор и доктор физико-математических наук, дает научные ответы на наивные и простые вопросы о том, как устроен наш мир. Природные явления, исторические парадоксы, удивительные научные открытия — об этом и многом другом доступно, занимательно и с помощью научных обоснований рассказывает автор.

Если вам интересно устройство мира или вы хотите знать, как правильно отвечать на простые вопросы вашего ребенка, — эта книга для вас.

---

Братья же приехали в Париж и потрясли всех полетом своего шара, пассажирами которого были утка, петух и баран, а профессор Шарль более всего был удивлен тем, что шар братьев Монгольфье, получивший название «монгольфьер», наполнялся теплым воздухом. У монгольфьера были недостатки: воздух быстро остывал, а объем полости, хотя и был довольно велик, обеспечивал малую грузоподъемность.

А профессор Шарль сделал новый компактный и грузоподъемный шар на водороде, в котором были предусмотрены почти все современные детали: сетка, удерживающая его; гондола, регулировочные клапаны, балласт. Это стало прообразом аэростата (1783 г.).

Современные спортивные воздушные шары — монгольфьеры. С помощью современных горелок получилось наладить хорошее управление температурой воздуха, поэтому пилоту удается уверенно контролировать высоту полета. А так как направление ветров на разной высоте различное, аэронавты просто ловят попутный ветер и летят вдоль поверхности Земли в нужную им сторону, совершая даже кругосветные путешествия.

На принципе использования легкого газа построены и дирижабли, оболочка которых сделана из легкого металла. Они могут перевозить гигантские грузы, но не спеша. Из-за этого и из-за опасности возгорания в начале XX века они проиграли соревнование самолетам. Символом этого проигрыша стал фешенебельный немецкий дирижабль «Гинденбург», сгоревший в Нью-Йорке 6 мая 1937 года. Но теперь дирижабли имеют шанс вернуться, потому что появились новые материалы и можно обеспечить совсем другой уровень безопасности. Дирижабли не требуют сложной инфраструктуры и не наносят ущерба окружающей среде. К тому же люди осознали, что в перевозках регулярность порой важнее скорости, поскольку позволяет планировать свои действия.

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.