Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Так почему этого не случается? Когда сила земного тяготения действует на тело строго вертикально вниз, земля с такой же силой противодействия выталкивает здание вверх. Две силы компенсируют друг друга, и здание никуда не двигается. Почему же его фундамент не уходит в землю? Потому что земля выталкивает его наверх. Даже самые высокие и тяжелые небоскребы редко дают усадку сверх допустимой. Многие из них покоятся на сваях, забитых глубоко в грунт. Эти сваи обычно либо достигают прочных скальных слоев, либо удерживаются на месте за счет высокой силы трения между их поверхностью и грунтом. Движение возникает только тогда, когда противоположные силы перестают компенсировать друг друга. Если здание начинает «плыть» в мягком грунте, то, с точки зрения физики, объясняется это тем, что он не создает достаточной противодействующей силы, которая удерживала бы здание от ухода под землю. Излишек силы, которая действует по направлению вниз (разница между весом здания и выталкивающей его вверх силой), и создает то движение, которое обеспечивает «усадку».

Откуда появляются эти силы?

Если фундаменты не предотвращают падение зданий, откуда берутся силы, которые не дают им уйти под землю? Всё в мире построено из примерно 100 разных видов атомов – кирпичиков конструктора жизни, которые мы знаем как химические элементы (например, железо, серебро, углерод и кислород). Группы атомов составляют более крупные структуры, называемые молекулами: например, два атома водорода и один атом кислорода образуют молекулу воды (Н2О). Большинство сил, с которыми мы встречаемся каждый день, возникают между атомами, внутри молекул или между молекулами. Об атомах и молекулах будет больше рассказано в следующих главах, а сейчас вкратце рассмотрим, как они могут создавать силы внутри зданий.

Представьте себе, что вы строите дом на огромном куске железа. Он состоит из атомов железа, выстроенных в очень жесткую структуру, подобную той, которая получилась бы, если бы мы плотно подгоняли сотни мраморных шариков один к одному в коробке. Каждый атом похож на шарик. Внутри него обычно заключено пустое пространство, но, как в большинстве сладостей, самое интересное начинается ближе к центру. На границах атомов есть «мягкие» облака электронов с отрицательным электрическим зарядом (как нижний конец батарейки). В центре атома расположено ядро, состоящее из очень плотно взаимосвязанных протонов и нейтронов и имеющее положительный заряд (как верх батарейки). Отрицательно и положительно заряженные части атомов не дают им слишком близко подойти друг к другу. Вы не можете сколь-нибудь заметно сжать кусок железа, потому что отрицательно заряженное электронное облако одного атома не может существовать вблизи такого же облака другого атома. Атомы взаимно отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные полюса магнита. Чем ближе вы придвигаете атомы друг к другу, тем труднее их сжать.

Если вы построите дом на огромной железной плите, то немного сблизите его атомы друг с другом, но лишь настолько, насколько они позволят. В этот момент вес вашего дома, давящий вниз, будет компенсирован противоположной силой, которая возникает между атомами и действует по направлению вверх. Мы обычно не строим дома на железных плитах, но тот же принцип действует и в случаях скального грунта, почвы и других жестких оснований. Вы можете уплотнить почву, поскольку она состоит из частиц, между которыми есть небольшие «карманчики» воздуха. Вы можете сжать песок, потому что «цепкие» песчинки способны двигаться друг относительно друга. Однако настанет момент, когда земля будет максимально уплотнена и «сжать» ее еще больше не получится. Дальшейшие попытки уплотнить ее – сизифов труд. Другие виды сил (имеющие отношение к электричеству, магнетизму или ядерной энергии) тоже возникают внутри атомов.

▲ Четыре способа, которыми атомы помогают удержать здание от разрушения. 1. Атомы в фундаменте отталкиваются от атомов в почве или скальном грунте. 2. Атомы в фундаменте по периметру здания сопротивляются «скольжению» мимо атомов почвы. Дом как будто «подвисает» в почве благодаря силе трения. 3. Верхняя часть поперечных балок слегка сжимается под весом, который на нее воздействует, но атомы внутри нее сопротивляются излишнему сближению. 4. Нижняя часть поперечных балок несколько выгибается от напряжения, но прочные атомные связи внутри них не позволяют им слишком отдаляться друг от друга.

Каждый материал сжимается под действием сил на него, даже если сжатие микроскопическое и сопоставимо с диаметрами нескольких атомов. Интересно, что высотное офисное здание в центре города выше на микроскопическую величину ночью, когда оно пустое, чем днем, когда в нем находятся тысячи людей, вес которых добавляется к весу здания и вместе с ней давит вниз на основание. Насколько короче может быть здание днем? Для обычного небоскреба около 400 м высотой с примерно 50 000 людей внутри сжатие может составить порядка 1,5 мм[10].

Прочное основание крепко поддерживает ваш дом, но не всегда обеспечивает его полную устойчивость. Представьте себе простейший дом, который вы можете построить: из уложенных друг на друга камней или плотно утрамбованного песка на пляже. На этих примерах легко увидеть, как различные силы удерживают вместе разные вещи. Обычный дом – целый набор материалов, каждый из которых обладает собственным весом в результате гравитации – силы, которая действует на него вертикально вниз. Иными словами, дом в основном стоит за счет сил сжатия, которые вжимают стены в землю, а атомы земли выталкивают сооружение вверх.

В доме не могут быть одни только стены. Между ними много связующих элементов: балок, полов, обрешетки крыши и т. д. Все эти горизонтальные структуры испытывают напряжение (под которым их нижние части выгибаются) и сжатие (под которым их верхние части сгибаются) и передают свой вес и другую нагрузку на стены, придавая дому большую жесткость. Многие здания и сооружения стоят десятилетиями и даже столетиями, потому что применяемые при их строительстве материалы – дерево, камень и бетон – чрезвычайно прочны на сжатие. Это их свойство хорошо иллюстрируется конструкторами Lego, где используются плотно соединяемые пластиковые «кирпичики». Конструктор способен выдержать вес 375 000 таких кирпичиков, поставленных друг на друга. При этом высота конструкции может достичь 3,5 км. С точки зрения понятий силы каждый маленький строительный блок Lego может выдержать давление массы в 350 кг (вес в примерно 3500 Н)[11], то есть вес 4–5 человек[12]. «Да, впечатляет», – подумаете вы, если только не наступили случайно на один из таких «кирпичиков» голой ногой, убирая конструктор за малышом.

Здания падают по разным причинам, но в основе лежит одна: какой-то разрушительный фактор создает силу, большую, чем та, что связывает строение. Пожары так поражают конструкцию зданий потому, что огонь прежде всего разрушает деревянные несущие балки полов, обрешетку крыш и даже (при очень высоких температурах) стальные конструкции. Вес самих перекрытий и нагрузка, которую они несут, становится непосильной, и рушится прежде всего внутренняя конструкция здания. Внешние стены относительно редко разваливаются в результате пожаров, но сильно страдают от падающих вниз тяжелых фрагментов кровли. Часть несущей балки обычно падает первой и какое-то время свисает. Когда следом отрывается вторая часть, возникает эффект рычага, и балка с огромной силой разбивает стены здания.

Обычно первыми начинают рушиться крыши, но стены тоже могут оказаться слабыми местами. Когда сильный ветер налетает на дом, скатная крыша обычно позволяет ветру обтекать строение без особых последствий. Так же устроен обтекатель кабины у больших грузовиков. У небоскребов всё происходит несколько иначе: чем выше их парусность, тем большую преграду представляют они для ветра и с тем большей силой он воздействует на них. Часть этого воздушного потока спускается вдоль стен к основанию здания и образует там мощные вихри, которые могут сбивать людей с ног; часть же ветра давит на здание с такой силой, что раскачивает его вперед и назад.

Обычно дома способны выдерживать сильнейшие порывы ветра. Но и они могут не устоять под давлением воздушных масс во время ураганов. Многие на Среднем Западе США, где ураганы – частое явление, убеждены, будто если во время урагана открывать окна дома, то давление снаружи и внутри сравняется и риск разрушения станет меньше. Это ошибка, основанная на неправильном логическом построении, и не имеет ничего общего с наукой. Если вы откроете в доме окна и он выстоит под ураганом, это не значит, что именно открытые окна спасли строение. Инженеры выяснили, что открытие окон в сильный ветер облегчает доступ турбулентных потоков с высоким давлением внутрь здания и может привести к срыву крыши (а тогда и стены скорее разрушатся)[13].