Девять жизней кошки - всего лишь метафора, однако что-то в этом есть: например, кошка по имени Сабрина, свалившись с 32-го этажа Нью-Йоркского небоскреба на бетонный тротуар, не только осталась жива, но и отделалась всего лишь выбитым зубом и слегка пораненной грудью. Окажись на месте котенка Сабрины популярная певица Сабрина, или кто другой из людей, не сносить бы бедняжке головы. Чем не истина.
Дело в том, что люди и кошки падают по-разному, как показано на рисунке:
У кошки исключительно эффективный вестибулярный аппарат, что позволяет ей быстро ориентироваться в пространстве при падении. Кошка, изогнувшись, очень быстро оказывается лапами вниз в самом начале падения. В результате удар распределяется на все четыре лапы. Взрослые люди, если они не акробаты, при падении кувыркаются беспорядочно и чаще всего приземляются на ноги и менее часто - на голову. Дети падают головой вниз, так как у них голова относительно большая, что смещает центр тяжести тела. При этом они инстинктивно вытягивают руки. Поэтому характерные травмы у упавших с высоты людей и кошек разные. Люди чаще ломают ноги (взрослые) или руки (дети), а также разбивают черепа. Тогда как кошки с равной вероятностью ломают все свой четыре лапы.
Если человек падает с 9-го этажа, у него меньше шансов выжить, чем если бы он упал с 4-го. Как ни странно, у кошек все наоборот. Статистический материал, собранный Нью-Йоркскими ветеринарами показывает, что погибли только 5 процентов кошек, упавших с высоты 7-32-го этажа, в то время как 10 процентов - при падении с высоты 2-6-го этажа. Вот истина достойная удивления. Графически она показана ниже (смертность людей и кошек при падении с разных высот):
Существование предельной скорости падения объясняет этот удивительный феномен. При падении скорость тела не растет все время, а стремится к некоторому предельному значению.
Это легко понять: сопротивление воздуха увеличивается со скоростью, и в конце концов уравновешивает силу тяжести. С этого момента скорость тела перестает расти, если форма тела не меняется. Сопротивление воздуха тем больше, чем больше поперечное сечение тела. А сила тяжести определяется массой тела. Отношение поперечного сечения к массе у кошек больше, чем у людей. Поэтому предельная скорость падения у кошки (около 100 км/ч) примерно два раза меньше, чем у людей, и, соответственно, у нее больше шансов выжить. Но это еще не все.
Вполне вероятно, что форма кошки до достижения предельной скорости и после ее достижения разные. Пока кошка чувствует ускорение падения, она инстинктивно напрягается, выгибает спину и вытягивает лапы вниз. Упав в этой позе, кошка может сломать лапы. Хотя опять-таки у нее меньше шансов это сделать, чем у нетренированных людей после парашютного прыжка. Дело в том, что кошка падает на согнутые лапы, смягчая удар при падении. У человека такого инстинкта нет. Только длительные тренировки, такие как у парашютистов или у гимнастов, могут его научить приземлятся на согнутые ноги, подобно кошке. После достижения предельной скорости ускорение пропадает, кошка инстинктивно расслабляется и принимает форму белки-летяги, раскинув лапы горизонтально. Это увеличивает поперечное сечение и уменьшает предельную скорость падения. Кроме того в такой позе у кошки меньше шансов сломать лапы при ударе о землю, так как сила удара распределяется на всю площадь и диссипируется через мягкие ткани. Интересно, что лапы были сломаны у большинства кошек, свалившихся с 7-8-го этажа, и лишь у каждой тринадцатой из упавших с девятого этажа и выше.
Теперь вернемся к удивительной способности кошек менять ориентацию своего тела во время падения. Это роднит их с бароном Мюнхаузеном, который сам вытащил себя из болота, схватившись за свои волосы. Но, в отличие от барона Мюнхаузена, кошки при этом не нарушают законов физики. Наоборот, они умело этими законами пользуются.
Чтобы понять это, присмотримся пристальнее к падающим кошкам на рисунках внизу:
Кошка в первую очередь бросает злобный взгляд на экспериментатора, который в доску ее замучил. Потом резко поворачивает переднюю часть тела вниз. Согласно закону сохранения момента импульса, задняя часть тела при этом поворачивается в противоположную сторону. Но кошка прижимает передние лапы и вытягивает задние, а также оперирует хвостом, если он у нее есть (некоторые эксперименты с котом без хвоста показали, что наличие хвоста в этом деле не принципиально). Цель этих манипуляций состоит в том, чтобы уменьшить момент инерции передней части тела и увеличить момент инерции задней части. Момент импульса равен произведению момента инерции на угловую скорость, поэтому несмотря на то, что момент импульса передней части тела в точности равен моменту импульса задней части, у передней части угловая скорость будет больше и, следовательно, в результате она повернется больше, чем повернется задняя часть тела в обратную сторону. После этого кошка повторяет трюк в обратном направлении. Только на сей раз прижимает задние лапы и вытягивает передние. Вследствие чего угол поворота задней части тела на этот раз будет больше, чем передней части. В итоге, когда оба этапа завершены, кошка восстанавливает свою форму и оказывается повернутой на нужный угол.
Эта нехитрая наука изменения ориентации тела в пространстве с помощью изменения формы была понятна людям уже лет сто назад. А кошкам, надо полагать, это было известно с незапамятных времен. Но, оказывается, несравненно глубокие истины ждали своего часа и вдумчивого наблюдателя за полетом падающей кошки, который задался бы вопросом: каким образом кошка должна менять свою форму, чтобы проделать свой поворот наиболее экономным образом (а вы можете не сомневаться, что она делает это именно так)?
Оказывается, для этого кошка должна решить почти такое же уравнение, которое описывает движение кварков в цветовом поле!
Каждая разновидность, или аромат кварков (а их всего шесть, по крайнее мере известных на сегодняшний день) может находиться в трех разных состояниях. Физики эти состояния условно называют цветом. Скажем, кварк может быть красным, зеленым или синим. Причем все эти цвета совершенно равноправны. И то, что определенные состояния кварка мы назвали красным, зеленым и синим,- это всего лишь условное соглашение. Любые другие три линейно независимые комбинации из этих состояний мы с таким же успехом могли бы назвать красным, зеленым и синим. Причем наше соглашение о том, что мы называем красным, зеленым и синим, может меняться от точки к точке в пространстве-времени. Физика от этого соглашения не должна зависеть, так как это всего лишь условность. Математически переход от одного соглашения (базиса) к другому задается комплексной унитарной матрицей три на три. Множество таких матриц составляет так называемую SU(3) неабелеву группу (если вам эти слова не понятны, а вы тем не менее хотите знать, как устроена природа, нет другого пути, кроме изучения математики, прислушиваясь к Дираку: "Природе присуща та фундаментальная особенность, что самые основные физические законы описываются математической теорией, аппарат которой обладает необыкновенной силой и красотой... Почему природа устроена именно так? На это можно ответить только одно: согласно нашим современным знаниям, природа устроена именно так, а не иначе. Мы должны просто принять это как данное. Ситуацию, вероятно, можно было бы описать, сказав, что Бог является математиком очень высокого ранга, и что он при построении Вселенной использовал математику высшего уровня"). Но "кинетическая" энергия кварков содержит производные по пространственно-временным координатам, и, если матрицы перехода от одного базиса к другому зависят от этих координат, при изменении наших соглашений возникнут дополнительные члены, содержащие производные этих матриц. Чтобы эти члены исчезли (ведь реальность не может зависеть от наших соглашений) надо обычные производные заменить на ковариантные производные, которые содержат компенсирующие калибровочные поля (глюоны в случае кварков). Все это является обобщением принципа минимального взаимодействия классической электродинамики и, вкупе с квантовыми представлениями, приводит к квантовой хромодинамике - современной теорий сильных взаимодействий.
В случае падающей кошки, роль пространства-времени в вышеописанной конструкции играет многообразие всевозможных форм кошки в ее системе центра масс. Чтобы сравнить ориентацию разных форм кошки, надо с каждой формой жестко связать оси координат. Но это можно сделать бесконечно многими способами, так как любой поворот системы осей тоже дает допустимую реперную конфигурацию. Физика (угол поворота кошки при последовательном изменении ее формы) не должна зависеть от произвольных соглашений о том, как прикрепить реперные оси к каждой форме. Поэтому опять появляются калибровочные поля, и возникает задача, математически подобная хромодинамической проблеме описания движения кварков во внешнем цветовом поле. Только на этот раз калибровочной группой является не SU(3), а SO(3) - группа трехмерных поворотов. Эта последняя, кстати, тоже неабелева группа, и чудесным образом падающая кошка оказывается связанной с теорией полей Янга-Миллса - одной из основных несущих конструкций Стандартной Модели элементарных частиц.
Кошки не единственные существа, "знающие" теорию калибровочных полей. Как ни странно, эта наука очень важна для микроорганизмов. Например, движение сперматозоидов тоже можно описать с помощью калибровочных потенциалов, и, следовательно, без этой, казалось бы, весьма абстрактной математической теории нам с вами не появиться на белом свете. Дело в том, что движение микроорганизмов происходит при очень маленьких числах Рейнольдса. Число Рейнольдса показывает относительную важность сил инерции и сил вязкости при движении в газе или в жидкости. Когда человек движется через воздух, число Рейнольдса больше миллиона. При плавании в воде оно уменьшается до десяти тысяч. Все равно это очень много, чтобы составить интуитивное понимание того, что происходит в мире микроорганизмов, где число Рейнольдса много меньше единицы. Следующий пример даст более образное понимание этого. Чтобы человек плавал при тех же числах Рейнольдса, как, скажем, его собственный сперматозоид, надо его поместить в густое болото и запретить двигать любой частью своего тела со скоростью больше, чем один сантиметр в минуту.
При очень малых числах Рейнольдса силы вязкости преобладают, и инерцией можно пренебречь. Тогда в этом странном мире плавающих микроорганизмов реализуется вариант механики Аристотеля: тело перестает двигаться, как только перестают толкать его. С пренебрежением инерцией проблема движения становится по существу чисто геометрической проблемой. Величины перемещения и поворота вследствие последовательности изменений формы не зависят от того, насколько быстро эти изменения происходили, а зависят только от их геометрии, и опять подходящим математическим языком для описания такой ситуации оказывается теория калибровочных полей.
"Непостижимая эффективность математики в естественных науках ... это чудесный дар, который мы не понимаем и которого не заслуживаем".
Эти слова Вигнера невольно вспоминаешь, видя, как переплелись между собой с помощью математики падающая кошка, кварки и плавающие инфузории. Вот еще один пример такого же рода. У пчел есть весьма сложный символьный язык танца с помощью которого пчела сообщает своим сородичам расстояние и направление до источника пищи. Существование такого языка у пчел - факт сам по себе таинственный и достойный восхищения. Но вот математик Барбара Щипман (Barbara Shipman) заметила в фигурах этого танца проявления шестимерного флагового многообразия, эзотерической математической конструкции, которую используют физики при изучении квантовой хромодинамики. И то не все, а только математически очень продвинутые.
Что это, случайное совпадение или очередное проявление "непостижимой эффективности математики" - пока неизвестно.
Но вернемся к падающей кошке. Несмотря на совершенство кошачьей акробатики, различные повреждения все равно вероятны при падении с большой высоты. Поэтому можно предположить, что эволюция выработала у кошек некий механизм исцеления. Как ни странно, ученые подозревают, что мурлыканье кошки и есть этот самый механизм! Возможно, низкочастотные вибрации той частоты и той интенсивности, которую создают кошки при мурлыкании, обладают терапевтическим эффектом. Источник: З. Силагадзе
Предельные значения величин Самая высокая температура
Она получена в центре взрыва термоядерной бомбы – около 300...400 млн°C. Максимальная температура, достигнутая в ходе управляемой термоядерной реакции на испытательной термоядерной установке ТОКАМАК в Принстонской лаборатории физики плазмы, США, в июне 1986 г., составляет 200 млн°C. Самая низкая температура
Абсолютный нуль по шкале Кельвина (0 K) соответствует –273,15° по шкале Цельсия или –459,67° по шкале Фаренгейта. Самая низкая температура, 2·10–9 K (двухбиллионная часть градуса) выше абсолютного нуля, была достигнута в двухступенчатом криостате ядерного размагничивания в Лаборатории низких температур Хельсинкского технологического университета, Финляндия, группой учёных под руководством профессора Олли Лоунасмаа (род. в 1930 г.), о чём было объявлено в октябре 1989 г. Самый миниатюрный термометр
Д-р Фредерик Сакс, биофизик из Государственного университета штата Нью-Йорк, Буффало, США, сконструировал микротермометр для измерения температуры отдельных живых клеток. Диаметр наконечника термометра – 1 микрон, т.е. 1/50 часть диаметра человеческого волоса.
Самый большой барометр
Водяной барометр высотой 12 м был сконструирован в 1987 г. Бертом Болле, хранителем Музея барометров в Мартенсдейке, Нидерланды, где он и установлен. Самое большое давление
Как сообщалось в июне 1978 г., в Геофизической лаборатории Института Карнеги, Вашингтон, США, в гигантском гидравлическом прессе с алмазным покрытием было получено самое высокое постоянное давление в 1,70 мегабар (170 ГПа). Было также объявлено, что в этой лаборатории 2 марта 1979 г. получили твёрдый водород под давлением 57 килобар. Ожидается, что металлический водород будет металлом серебристо-белого цвета с плотностью 1,1 г/см3. По расчётам физиков Г.К. Мао и П.М. Белла, для этого эксперимента при 25°C потребуется давление в 1 мегабар.
В США, как сообщалось в 1958 г., при использовании динамических методов с ударными скоростями порядка 29 тыс. км/ч было получено мгновенное давление 75 млн атм. (7 тыс. ГПа). Самая высокая скорость
В августе 1980 г. сообщалось о том, что в Исследовательской лаборатории ВМС США, Вашингтон, США, пластиковый диск был разогнан до скорости 150 км/с. Это максимальная скорость, с которой когда-либо двигался твёрдый видимый объект. Самые точные весы
Самые точные весы в мире – «Сарториус-4108» – были изготовлены в Гёттингене, ФРГ, на них можно взвешивать предметы до 0,5 г с точностью в 0,01 мкг, или 0,00000001 г, что соответствует приблизительно 1/60 веса типографской краски, потраченной на точку в конце этого предложения. Самая большая пузырьковая камера
Самая крупная в мире пузырьковая камера стоимостью 7 млн долл. была построена в октябре 1973 г. в Уэстоне, штат Иллинойс, США. Она имеет 4,57 м в диаметре, вмещает 33 тыс. л жидкого водорода при температуре –247°C и снабжена сверхпроводящим магнитом, создающим поле 3 Тл. Самая быстрая центрифуга
Ультрацентрифуга была изобретена Теодором Сведбергом (1884...1971), Швеция, в 1923 г.
Самая высокая скорость вращения, полученная человеком, составлявляет 7250 км/ч. С такой скоростью, как сообщалось 24 января 1975 г., вращается в вакууме 15,2 см конический стержень из углеродного волокна в Бирмингемском университете, Великобритания. Самое точное сечение
Как сообщалось в июне 1983 г., высокоточный алмазно-токарный станок в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, штат Калифорния, США, может вдоль рассечь человеческий волос 3 тыс. раз. Стоимость станка 13 млн долл. Самый мощный электрический ток
Самый мощный электрический ток был сгенерирован в Научной лаборатории Лос-Аламоса, штат Нью-Мексико, США. При одновременном разряде 4032 конденсатора, объединённые в суперконденсатор «Зевс», в течение нескольких микросекунд дают вдвое больший электрический ток, чем генерируемый всеми энергетическими установками Земли. Самое горячее пламя
Самое горячее пламя получается при сгорании субнитрида углерода (C4N2), дающего при 1 атм. температуру 5261 K. Самая высокая измеренная частота
Самой высокой частотой, которую воспринимает невооружённый глаз, является частота колебаний жёлто-зелёного света, равная 520,206 808 5 терагерц (1 терагерц – миллион миллионов герц), соответствующая линии перехода 17 – 1 Р(62) йода-127.
Самый низкий коэффициент динамического и статического трения для твёрдого тела (0,02) имеет политетрафторэтилен (С2F4n), называемый ПТФЭ. Он равен трению мокрого льда о мокрый лед. Это вещество было впервые получено в достаточном количестве американской фирмой «Е.И. Дюпон де Немур» в 1943 г. и экспортировалось из США под названием «тефлон». Американские и западноевропейские домохозяйки обожают кастрюли и сковородки с антипригарным тефлоновым покрытием.
В центрифуге Университета штата Виргиния, США, в вакууме 10–6 мм ртутного столба со скоростью 1000 об/с вращается поддерживаемый магнитным полем ротор массой 13,6 кг. Он теряет лишь 1 об/с в сутки и будет вращаться в течение многих лет. Самое маленькое отверстие
Отверстие диаметром 40 ангстрем (4·10–6 мм) удалось увидеть на электронном микроскопе JEM 100C при помощи устройства фирмы «Квантел электроникс» в отделении металлургии Оксфордского университета, Великобритания, 28 октября 1979 г. Обнаружить подобное отверстие все равно что найти булавочную головку в стоге сена со сторонами в 1,93 км.
В мае 1983 г. луч электронного микроскопа в Иллинойском университете, США, случайно прожёг в образце бета-алюмината натрия отверстие диаметром 2·10–9 м. Самые мощные лазерные лучи
Впервые осветить другое небесное тело лучом света удалось 9 мая 1962 г.; тогда луч света отразился от поверхности Луны. Он был направлен лазером (усилителем света, основанным на вынужденном излучении), точность прицела которого координировалась 121,9 см телескопом, установленным в Массачусетском технологическом институте, Кембридж, штат Массачусетс, США. На лунной поверхности освещалось пятно диаметром около 6,4 км. Лазер был предложен в 1958 г. американцем Чарлзом Таунзом (род. в 1915 г.). Световой импульс подобной мощности при длительности 1/5000 сможет прожечь алмаз за счёт его испарения при температуре до 10 000°C. Такую температуру создают 2·1023 фотонов. Как сообщалось, лазер «Шива», установленный в лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, штат Калифорния, США, смог сконцентрировать световой пучок мощностью порядка 2,6·1013 Вт на предмете размером с булавочную головку в течение 9,5·10–11 с. Этот результат был получен при эксперименте 18 мая 1978 г. Самый яркий свет
Самыми яркими источниками искусственного света являются лазерные импульсы, которые были сгенерированы в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, штат Нью-Мексико, США, в марте 1987 г. д-ром Робертом Грэмом. Мощность вспышки ультрафиолетового света длительностью в 1 пикосекунду (1·10–12 с) составила 5·1015 Вт.
Самым мощным источником постоянного света является аргонная дуговая лампа высокого давления с потребляемой мощностью 313 кВт и силой света 1,2 млн кандел, изготовленная фирмой «Вортек индастриз» в Ванкувере, Канада, в марте 1984 г.
Самый мощный прожектор выпускался во время второй мировой войны, в 1939...1945 гг., фирмой «Дженерал электрик». Он был разработан в Научно-исследовательском центре Херста, Лондон. При потребляемой мощности в 600 кВт он давал яркость дуги в 46 500 кд/см2 и максимальную интенсивность луча 2700 млн кд от параболического зеркала диаметром 3,04 м. Самый короткий импульс света
Чарлз Шанк с коллегами в лабораториях компании «Америкэн телефон энд телеграф» (АТТ), штат Нью-Джерси, США, получил импульс света длительностью 8 фемтосекунд (8·10–15 с), о чём было объявлено в апреле 1985 г. Длина импульса равнялась 4...5 длинам волн видимого света, или 2,4 мкм. Самая долговечная лампочка
Средняя лампочка накаливания горит в течение 750...1000 ч. Есть сведения о том, что пятиваттная лампа с угольной нитью, выпущенная фирмой «Шелби электрик» и недавно продемонстрированная г-ном Бернеллом в Пожарном управлении Ливермора, штат Калифорния, США, впервые дала свет в 1901 г. Самый тяжёлый магнит
Самый тяжёлый в мире магнит имеет диаметр 60 м и весит 36 тыс. т. Он был сделан для синхрофазотрона мощностью 10 ТэВ, установленного в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне, Московская обл. Самый большой электромагнит
Крупнейший в мире электромагнит является частью детектора L3, используемого в экспериментах на большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) Европейского совета ядерных исследований, Швейцария. Электромагнит 8-угольной формы состоит из ярма, изготовленного из 6400 т низкоуглеродистой стали, и алюминиевой катушки весом 1100 т. Элементы ярма, весом до 30 т каждый, были изготовлены в СССР. Катушка, сделанная в Швейцарии, состоит из 168 витков, закреплённых электросваркой на 8-угольной раме. Ток силой 30 тыс. А, проходящий по алюминиевой катушке, создает магнитное поле мощностью 5 килогауссов. Габариты электромагнита, превосходящие высоту 4 этажного здания, составляют 12х12х12 м, а общий вес равен 7810 т. На его изготовление ушло больше металла, чем на постройку Эйфелевой башни. Магнитные поля
Самое мощное постоянное поле величиной 35,3 ± 0,3 Тесла было получено в Национальной магнитной лаборатории им. Фрэнсиса Биттера в Массачусетском технологическом институте, США, 26 мая 1988 г. Для его получения использовался гибридный магнит с гольмиевыми полюсами. Под его воздействием усиливалось магнитное поле, создаваемое сердцем и мозгом.
Самое слабое магнитное поле было измерено в экранированном помещении той же лаборатории. Его величина составила 8·10–15 Тесла. Оно использовалось д-ром Дэвидом Коэном для изучения чрезвычайно слабых магнитных полей, создаваемых сердцем и мозгом. Самый мощный микроскоп
Растровый туннелирующий микроскоп (STM), изобретённый в Научно-исследовательской лаборатории фирмы ИБМ в Цюрихе в 1981 г., позволяет достичь увеличения в 100 млн раз и различить детали до 0,01 диаметра атома (3·10–10 м). Утверждают, что размеры растровых туннелирующих микроскопов 4-го поколения не будут превышать размера наперстка.
При помощи методов полевой ионной микроскопии наконечники зондов сканирующих туннелирующих микроскопов изготавливаются таким образом, чтобы на их конце был один атом – последние 3 слоя этой сотворённой руками человека пирамиды состоят из 7, 3 и 1 атома В июле 1986 г. представители Лаборатории концерна «Белл телефон систем», Марри Хилл, штат Нью Джерси, США, заявили о том, что им удалось перенести одиночный атом (скорее всего, германия) вольфрамового наконечника зонда растрового туннелирующего микроскопа на германиевую поверхность. В январе 1990 г. подобную операцию повторили Д. Эйглер и Е. Швейцер из Исследовательского центра компании ИБМ, Сан-Хосе, штат Калифорния, США. Используя сканирующий туннелирующий микроскоп, они выложили слово IBM одиночными атомами ксенона, перенеся их на никелевую поверхность. Самый громкий шум
Самый громкий шум, полученный в лабораторных условиях, был равен 210 дБ, или 400 тыс. ак. Вт (акустических ватт), сообщило агентство НАСА. Он был получен за счёт отражения звука железобетонным испытательным стендом размером 14,63 м и фундаментом глубиной 18,3 м, предназначенным для испытаний ракеты «Сатурн V», в Центре космических полётов им. Маршалла, Хантсвилл, штат Алабама, США, в октябре 1965 г. Звуковой волной такой силы можно было бы сверлить отверстия в твёрдых материалах. Шум был слышен в пределах 161 км. Самый маленький микрофон
В 1967 г. профессор Ибрагим Каврак из университета Богазичи, Стамбул, Турция, создал микрофон для новой методики измерения давления в потоке жидкости. Его частотный диапазон – от 10 Гц до 10 кГц, размеры – 1,5 мм х 0,7 мм. Самая высокая нота
Самая высокая из полученных нот имеет частоту 60 гигагерц. Она была сгенерирована лазерным лучом, направленным на кристалл сапфира, в Массачусетском технологическом институте, США, в сентябре 1964 г. Самый мощный ускоритель частиц
Протонный синхротрон диаметром 2 км в Национальной лаборатории ускорений им. Ферми к востоку от Батейвии, штат Иллинойс, США, является самым мощным в мире ускорителем ядерных частиц. 14 мая 1976 г. на нем была впервые получена энергия порядка 500 ГэВ (5·1011 электрон-вольт). 13 октября 1985 г. на нем в результате столкновения пучков протонов и антипротонов получена энергия в системе центра масс в 1,6 ГэВ (1,6·1011 электрон-вольт). Для этого понадобилось 1000 сверхпроводящих магнитов, работающих при температуре –268,8°C, поддерживаемой с помощью самой крупной в мире установки по сжижению гелия производительностью 4500 л/час, вступившей в строй 18 апреля 1980 г.
Поставленная ЦЕРНом (Европейская организация ядерных исследований) цель – обеспечить столкновение пучков протонов и антипротонов в протонном синхротроне на сверхвысокую энергию (SPS) с энергией 270 ГэВ · 2 = 540 ГэВ – была достигнута в Женеве, Швейцария, в 4 ч 55 мин утра 10 июля 1981 г. Эта энергия эквивалентна той, которая выделяется при соударении протонов, имеющих энергию 150 тыс. ГэВ, с неподвижной мишенью.
Министерство энергетики США 16 августа 1983 г. субсидировало исследования по созданию к 1995 г. сверхпроводящего суперколлайдера (SSC) диаметром 83,6 км на энергию двух протон-антипротонных пучков в 20 ТэВ. Белый дом одобрил этот проект стоимостью 6 млрд. долл. 30 января 1987 г. Самое тихое место
«Мёртвая комната», размером 10,67 х 8,5 м в Лаборатории концерна «Белл телефон систем», Марри-Хилл, штат Нью-Джерси, США, является самой звукопоглощающей комнатой в мире, в которой исчезает 99,98% отражаемого звука. Самые острые предметы и самые маленькие трубочки
Самыми острыми предметами, сделанными руками человека, являются стеклянные трубочки микропипеток, используемые в экспериментах с тканями живых клеток. Технологию их изготовления разработали и претворили в жизнь профессор Кеннет Т. Браун и Дейл Дж. Фламинг на кафедре физиологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско в 1977 г. Они получали конические наконечники трубок с наружным диаметром 0,02 мкм и внутренним диаметром 0,01 мкм. Последний был тоньше человеческого волоса в 6500 раз. Мельчайший искусственный предмет
8 февраля 1988 г. фирма «Техас инструментс», Даллас, штат Техас, США, объявила о том, что ей удалось изготовить «квантовые точки» из индия и арсенида галлия диаметром всего лишь 100 миллионных долей миллиметра. Самый высокий вакуум
Он был получен в Научно-исследовательском центре ИБМ им. Томаса Дж. Уотсона, Йорктаун-Хейтс, штат Нью-Йорк, США, в октябре 1976 г. в криогенной системе с температурами до –269°C и был равен 10–14 торр. Это эквивалентно тому, что расстояние между молекулами (размером с теннисный мяч) увеличилось с 1 м до 80 км. Самая низкая вязкость
Калифорнийский технологический институт, США, объявил 1 декабря 1957 г., что жидкий гелий-2 при температурах, близких к абсолютному нулю (–273,15°C), не обладает вязкостью, т.е. имеет идеальную текучесть. Самое высокое напряжение
17 мая 1979 г. в корпорации «Нешнл электростатикс», Ок-Ридж, штат Теннесси, США, была получена в лабораторных условиях самая высокая разность электрических потенциалов. Она составила 32 ± 1,5 млн В. Источник: http://n-t.ru
Машущий полёт птиц поражает своей энергетической эффективностью. Белый сокол, при весе 1.6 кг, поднимает в воздух добычу весом 5 кг, т.е. более чем в три раза превышающую его собственный вес. Какому самолёту по силам такое? Бурокрылые ржанки, имеющие средний размах крыльев всего 34 см, при своих сезонных миграциях совершают беспосадочный перелёт, со скоростью около 90 км/ч, от Алеутских до Гавайских островов – на 3300 км. Чтобы оценить это, следует сравнивать птиц не с реактивными самолётами, а с винтомоторными – которые, как и птицы, “отталкиваются от воздуха”. Винтомоторный самолёт тоже пролетает 3000 км на одной заправке, но размеры такого самолёта превышают размеры ржанки, как минимум, в 30 раз. Значит, у ржанки во столько же раз больше относительная дальность полёта “на одной заправке”!
При всей заманчивости технического применения принципов машущего полёта птиц, эти принципы до сих пор непонятны науке, по которой выходит, что птичий полёт – это какое-то недоразумение Природы. Безуспешно пытаясь не только проимитировать птичий полёт, но и понять, как он вообще возможен в согласии с догмами аэродинамики, наука строит свои прожорливые и привередливые самолёты, у которых крылья создают подъёмную силу, но не являются движителями. Между тем, машущие крылья птиц изящно совмещают обе эти функции на основе инженерного решения, ошеломляющего своей простотой.
Прежде всего вспомним, что почти все летающие птицы – за исключением, пожалуй, самых маленьких – владеют техникой планирующего полёта. У некоторых из них эта техника, почти не требующая физических усилий, доведена до поразительного мастерства: морские птицы демонстрируют чудеса пилотажа, используя энергию ветра – в том числе, неподвижно зависают на встречном ветру. Бесспорный факт: распростёртые и зафиксированные птичьи крылья создают подъёмную силу при достаточной скорости обтекания. Заметим, что эта подъёмная сила мало зависит от того, зафиксированы ли распростёртые крылья в своём среднем положении, или в любом другом положении – в пределах полной амплитуды маха при оптимальном силовом режиме прямолинейного горизонтального полёта. Значит, машущие движения здесь требуются не для создания подъёмной силы, а исключительно для создания тяги. С этим выводом согласуется и такое наблюдение: для увеличения скорости горизонтального машущего полёта, птица увеличивает частоту машущих движений.
Как же можно “отталкиваться от воздуха” с помощью этих движений? Казалось бы, отброс воздуха назад при машущих движениях крыльев вверх-вниз легко достижим при соответствующих углах атаки. В самом деле, при махе вверх крыльями с положительным углом атаки, воздух бы отбрасывался назад, и возникала бы реактивная сила, которая толкала бы птицу вперёд. Но, при махе вниз теми же самыми крыльями, аналогичная реактивная сила толкала бы птицу уже не вперёд, а назад. Тут бы сделать отрицательный угол атаки – но тогда стала бы отрицательной подъёмная сила! Как можно видеть, при варьировании угла атаки машущих крыльев с целью создания тяги, практически невозможно добиться ровного и устойчивого горизонтального полёта. Сегодня, благодаря создателям телесериалов о живой природе, имеется возможность наблюдать подробности машущих движений крыльев у разных птиц, совершающих прямолинейный горизонтальный полёт в оптимальном силовом режиме. Так вот, действительно: на протяжении машущего цикла никаких изменений угла атаки не просматривается. Кстати, биологи подтвердят, что у птиц попросту нет мышц, которые могли бы выворачивать крылья для изменения угла атаки: грудная мышца производит мах вниз, а подключичная плюс помогающая ей большая дельтовидная – мах вверх. Птица может активно выворачивать лишь оконечности крыльев – причём, в ограниченных пределах; и требуется это для руления (у самолётов аналогично работают элероны). А, чтобы изменить угол атаки, например, увеличить его для торможения в воздухе, птицам приходится изменять положение всего корпуса, “задирая нос”. Впрочем, имеет место и небольшое пассивное изменение эффективного угла атаки – благодаря гибкости маховых перьев. В этой-то гибкости маховых перьев и заключается, на наш взгляд, секрет создания тяги машущими движениями крыльев.
Вот этот секрет. Стержень махового пера утончается в направлении к кончику, и на кончике практически сходит на нет. Поэтому, чем ближе к кончику, тем больше гибкость махового пера. Это свойство приводит вот к чему: из-за сопротивления воздуха маховым движениям, кончики маховых перьев изгибаются в сторону, противоположную направлению маха. То есть, задние части крыльев, составленные из кончиков маховых перьев, работают как гибкие закрылки – которые, при махе крыльями вниз, пассивно отгибаются вверх, и наоборот. При этом, как можно видеть, именно гибкими закрылками машущие крылья “отмахивают” воздух назад. На наш взгляд, это и порождает реактивную силу, толкающую птицу вперёд. Каков курьёз: крылья птиц отмахивают воздух по хорошо известному принципу гибкого дамского веера, зачастую сделанного из… длинных птичьих перьев!
В пользу того, что птицы создают тягу, отмахивая воздух гибкими закрылками, можно привести ещё такие примеры. Зимородок, перед отвесным пикированием за рыбёшкой, имеет обыкновение неподвижно зависать в воздухе. В режиме этого зависания, корпус птички держится почти вертикально (хвостом вниз), и, соответственно, крылья совершают машущие движения не вверх-вниз, как при горизонтальном полёте, а вперёд-назад. При этом гибкие закрылки отмахивают воздух вниз, из-за чего и возникает реактивная сила, удерживающая птичку от падения. Такую технику неподвижного зависания “на вертикальной тяге” демонстрируют многие птицы, включая крупных морских, тоже добывающих рыбу с отвесного пикирования. А непревзойдёнными виртуозами “вертикальной тяги” являются, конечно, колибри, которые владеют искусством непринуждённого перемещения в воздухе в любом направлении, не разворачиваясь – что с успехом практикуется при поочерёдном облёте цветков, из которых эти птички, зависнув в воздухе, пьют нектар. Интересно, что маховые пёрышки колибри настолько гибкие, а машет крылышками она так часто, что, при замедленном просмотре, пассивные отгибания маховых пёрышек обычно принимаются за активные выворачивания крылышек!
Возвращаясь к обычному машущему полёту с горизонтальной тягой, добавим, что, как правило, дизайн птичьих крыльев и режим их работы настолько хорошо согласованы, что эффективно гасится вертикальная болтанка корпуса птицы, противофазная машущим движениям, и в результате птица летит “по струночке”. Одним из механизмов гашения вертикальной болтанки корпуса является, на наш взгляд, пассивное варьирование подъёмной силы крыльев благодаря всё тем же гибким закрылкам. Действительно, при махе крыльями вниз, когда гибкие закрылки загнуты вверх, подъёмная сила крыльев оказывается немного уменьшена, что и гасит “отдачу” корпуса вверх; при махе крыльями вверх всё происходит прямо противоположным образом. Следует признать, что речь идёт об изумительном инженерном решении: на основе гибкости маховых перьев решены сразу несколько технических задач!
Добавим, что в живой природе имеются и другие, весьма специфические применения принципа машущих крыльев с гибкими закрылками. Так, пингвины – это птицы, которые на этом принципе “летают под водой”. Не забудем и про летучих мышей, у которых крылья устроены иначе, чем у птиц, но принцип полёта – всё тот же.
А вот экспериментальные махолёты с жёсткими крыльями, на наш взгляд, не имитируют птичий полёт. Секрет машущего полёта птиц – в гибких закрылках. При полёте в оптимальном силовом режиме, машущие движения требуются лишь для создания тяги, возникающей при “отмахивании” воздуха назад гибкими закрылками. Что же касается подъёмной силы, то она обеспечивается не машущими движениями, а – как и при планирующем полёте – положительным эффективным углом атаки, благодаря которому, при достаточной скорости обтекания, над крылом воздух разрежается, а под крылом он уплотняется, что и порождает перепад давлений. Причём, почти постоянный положительный угол атаки, при машущих движениях, в значительной степени обусловлен той особенностью сочленения птичьих крыльев с корпусом, из-за которой машущие движения выполняются не строго ортогонально линии полёта, а вниз-вперёд и вверх-назад. И вот ещё что важно. У птиц, приспособленных не к планирующему полёту, как альбатрос, а именно к полёту машущему, гибкие закрылки обычно прорежены. Для формирования такого “разрезного крыла”, оконечные участки опахал маховых перьев бывают даже специально заужены. Конечно, это делается неспроста. На тех скоростях обтекания, которые достижимы при машущем полёте, воздух ведёт себя как среда с малой вязкостью. И, если гибкие закрылки были бы сплошными, то они порождали бы сильные завихрения, что снижало бы энергетическую эффективность полёта. Разрезное же крыло, очевидно, снижает силу завихрений до приемлемого уровня.
В завершение добавим: если уж летают самолёты, то летательные аппараты, имитирующие полёт птиц, должны летать тем более. Даже в детских авиамодельных кружках можно собирать и совершенствовать модели птицелётов. Центровка птицелёта, по-видимому, должна быть примерно такой же, как и у планера – на первой трети крыла. Едва ли можно обойтись без хвостового оперения, стабилизирующего птицелёт по горизонтальному и вертикальному углам отклонений от прямолинейного полёта. Пассивная стабилизация по углу крена, по-видимому, достижима благодаря заниженному центру тяжести птицелёта в полётном положении – как у птиц. И ещё: для выхода птицелёта на рабочий режим требуется некоторая стартовая скорость обтекания крыльев. Птицы решают эту проблему старта по-разныму: одни отталкиваются с места, другие разбегаются, третьи бросаются вниз со скал, четвёртые используют встречный ветер…