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

Почему нам больно?

Когда мы начинаем понимать, что такое количество энергии, то более ясно осознаём и многие другие явления нашей жизни, которые вроде бы прямого отношения к ней не имеют. Например, почему страдают машины во время аварий; почему ожог паром болезненнее, чем ожог кипятком, и почему так опасно падать с лестницы. Во всех случаях ответ один: потому что энергия должна во что-то трансформироваться. Здесь тоже действует закон ее сохранения.

Если вы едете по скоростному шоссе со скоростью 150 км/ч (40 м/с) в полуторатонной спортивной машине, в процессе движения она приобретает энергию. Мы называем эту энергию кинетической и можем рассчитать ее по простой формуле: это половина массы движущегося тела, умноженная на скорость в квадрате[31]. Подставив нужные числа, вы легко найдете, что машина обладает энергией немного более 1 мДж. Как только она сталкивается с препятствием, ее скорость падает до нуля и она утрачивает кинетическую энергию. Так что разбить автомашину в ДТП значит высвободить энергию в 1 мДж в мгновение ока. А появляющаяся в результате мощность будет равна энергии, деленной на количество секунд, в течение которых происходит авария. Так что если ваша машина сжимается в гармошку, скажем, в течение половины секунды, то возникает мощность: 1 мДж / 0,5 с = 2 мВт. Это (как видно из табл. 3) примерно равно мощности паровоза. Именно поэтому автоаварии часто приводят к летальному исходу и поэтому машина в процессе серьезного ДТП так деформируется. Чем дольше длится сам процесс аварии, тем меньше время воздействия сил (на сам автомобиль и сидящих в нем людей), и тем больше у ее участников шансов выжить.

Если вам посчастливилось выйти из ДТП невредимым, скажите спасибо за то, что конструкция многих современных автомобилей способна поглощать при ударе максимум энергии, минимизировать действие внешних сил на пассажиров и спасать их жизни. Чем хуже выглядит машина после аварии, тем сердечнее стоит поблагодарить судьбу. Вы выживаете за счет того, что гибнет машина. Современный автомобиль жертвует собой, чтобы спасти вас. Теоретически человек может создать неразрушимые машины, которые из всех ДТП будут выходить только с царапинами. Но в этом случае не будет объекта, который «высасывает» энергию столкновения, воздействующие на вас силы будут огромными и даже небольшой удар может оказаться роковым[32].

Тот же принцип применим и к ситуации, когда вы обжигаетесь чайником: энергия кипящей воды должна куда-то уйти, и она уходит в ваши пальцы, поражая живую плоть. Пар при температуре 100 °C содержит гораздо больше энергии, чем кипящая вода той же температуры. Ведь для отделения молекул воды друг от друга в паре необходимо вложить в него большую энергию. Если ваша рука попадает в струю пара, она испытывает двойное поражающее действие высокой температуры. Сначала она абсорбирует ее и превращает пар в кипящую воду, а затем охлаждает воду до температуры вашего тела.

Чтобы забраться на строительную лестницу, нужна энергия. Если вы упадете с нее, то эта энергия (которая называется потенциальной, поскольку существует в накопленном виде и ее можно использовать в будущем) должна будет высвободиться и куда-то перейти. Она и перейдет – в ваше тело. Если вы забираетесь по лестнице на крышу дома (высота около 10 м) и весите 75 кг, то потенциальная энергия составит 7500 Дж[33]. Стоит вам сорваться с лестницы и при падении удариться головой о бетон при длительности импульса удара около 0,1 секунды, на ваше тело обрушится мощность в 75 000 Вт (75 кВт). Сила, которая будет при этом воздействовать на вашу голову, обратно пропорциональна времени воздействия: чем быстрее уйдет энергия, тем больший ущерб она нанесет. Если вы подставите числа в соответствующее уравнение, то получится, что при ударе на вашу голову будет действовать такая же сила, как если бы на ней сомкнулись челюсти крокодила[34]. Этого достаточно, чтобы сломать кости и даже убить человека. Почему же вам может быть нанесен такой ущерб? Почему вы можете даже погибнуть? Потому что энергия должна перейти в другую форму и переместиться на другой объект.

Вверх и вниз по лестнице в вашем доме

Разговоры о джоулях, ваттах и даже – что для вас, наверное, важнее – о деньгах четко доказывают: для всего, что мы делаем, нужна энергия, и ее надо выработать, затратив некие ресурсы. Это неприятная сторона закона сохранения энергии. Но есть и хорошая новость. Использование энергии не всегда настолько же бессмысленно, как сжигание денег для получения тепла: иногда мы можем получить ее назад.

Конец ознакомительного фрагмента.

Сноски

1

Флэш Гордон – вымышленный персонаж одноименного научно-фантастического комикса, впервые появившийся в «Стрипе» 7 января 1934 года. Создан художником Алексом Рэймондом. Позже о данном персонаже на основе комиксовых историй был создан ряд теле- и мультсериалов, полнометражных фильмов и мультфильмов, романов, радиоспектаклей и компьютерных игр. Прим. перев.

2

Детали биографии Эйнштейна я позаимствовал из широко известной и популярной биографии ученого: Айзексон У. Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная. М.: АСТ, Corpus, 2015. В ней описаны и уход Эйнштейна из старшей средней школы, и провал на экзаменах в политехнический колледж, и попытки трудоустройства.

3

Статистика приведена здесь по результатам опросов, проведенных и в США, и в Великобритании. Источники – на моем сайте.

4

Данные по поводу высотного здания взяты с официального сайта Эмпайр-стейт-билдинг 29 октября 2013 года. 340 000 т – это 340 млн кг, что равно общей массе 4,5 млн людей со средней массой 7 кг. Это всё население Калькутты (по данным Википедии) на 2011 год.

5

Более точно – 412 500 паскалей (Па).

6

Это примерно 4 млн Па.

7

Hayes L. et al. The Latest from Paris: An All-Plastic House // Popular Mechanics. 1956. August. Р. 89.

8

Hay D. What Does a House Weigh? Some Mental Heavy Lifting // Seattle Times. 2004. December 19. Ссылка – на моем сайте.

9

Если вам интересно, почему вообще происходит движение, стоит вспомнить о действии и противодействии. Если вы стреляете из ружья, то действие – сила, толкающая пулю вперед. Противодействие – отдача, толкающая ружье в противоположном направлении. Действие двигает пулю, противодействие – само ружье.

10

Для каждого строительного материала существует показатель, называемый модулем Юнга (Е), который показывает, насколько материал прочен или упруг. Он рассчитывается путем деления давления на поверхность материала (силы, которую вы прикладываете к единице площади) на удлинение материала (насколько длиннее он становится по сравнению с первоначальным состоянием). В качестве примера я взял прочный строительный бетон, из которого состоит примерно десятая часть офисного здания, где я работаю. Я также сделал допущение, что все люди, находящиеся в нем, стоят на крыше здания, оказывая равномерное давление на него по всей его высоте. На самом деле сила сжатия внизу здания всегда больше, чем наверху.

11

В разговорном русском языке принято говорить, например, «Вася весит 75 кг», «лишний вес» и т. п., и в этой книге для простоты изложения часто используются те же конструкции. Хотя, если придерживаться строгой научной терминологии, речь все же идет о массе (то есть Васина масса составляет 75 кг). Вес же (если речь о теле, находящемся в состоянии покоя) – произведение массы на ускорение свободного падения (g), на Земле равное 9,81 м/с². Для простоты расчетов в этой книге значение g округлено до 10. Иными словами, вес Васи, масса которого составляет 75 кг, будет равен 750 кг × м/с², или 750 ньютонов (Н). Прим. ред.

12

Инфракрасное излучение имеет длину волны больше 740 нм (граница видимого красного цвета). Прим. науч. ред.

13

Гидроксильный радикал – высокореакционный и короткоживущий радикал ОН−, образованный атомами кислорода и водорода. Обычно возникает при распаде гидропероксидов, в атмосферной химии, взаимодействии возбужденных молекул кислорода с водой или при действии ионизирующего излучения. Прим. перев.