Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Опасный резонанс

Безусловно, физика резонанса отнюдь не ограничивается рамками учебных демонстраций. Подумайте хотя бы о том невероятном множестве различных настроений, которые порождает музыка, извлекаемая из разных инструментов. Музыкальный резонанс апеллирует к нашим эмоциям, пробуждая в нас веселье и тревогу, спокойствие и благоговение, страх, радость, печаль и многие-многие другие чувства. Неудивительно, что мы говорим о переживаемом людьми эмоциональном резонансе, способном создавать взаимоотношения, наполненные богатством и глубиной, и тончайшие обертона понимания, нежности и желания. Едва ли это случайно, что каждый человек стремится быть «настроенным на чью-то волну». И как нам больно, когда мы теряем этот резонанс, временно или навсегда, и то, что прежде ощущалось как гармония, превращается в нестройный шум и полную эмоциональную какофонию. Помните персонажей пьесы Эдварда Олби «Кто боится Вирджинии Вульф?», супругов Джорджа и Марту? Они постоянно скандалят. Пока они воюют друг с другом, они остаются просто «шоу» для своих гостей, но пара становится гораздо опаснее, когда объединяет усилия, чтобы втянуть в свои «игры» гостя. Но опасен не только эмоциональный резонанс; в физике он тоже может быть поистине разрушительной силой.

Наиболее ярким примером разрушительного резонанса в новейшей истории считается событие, произошедшее в ноябре 1940 года, когда сильнейший порыв ветра ударил прямо в главный пролет висячего моста Такома-Нэрроуз. В результате чудо инженерной мысли (которое из-за того, что в ветреную погоду дорожное полотно сильно раскачивалось, строители еще на этапе возведения прозвали Галопирующей Герти) начало мощно резонировать. Боковой ветер увеличил амплитуду колебаний моста, структура начала вибрировать и раскачиваться все более и более интенсивно, и в итоге мост разрушился и рухнул в воду. Вы можете «полюбоваться» на сей захватывающий крах на сайте https://www.youtube.com/watch?v=j-zczJXSxnw.

А девяноста годами ранее в Анже во Франции рухнул подвесной мост через Мейн-Ривер, когда 478 солдат переходили по нему строем, шагая в ногу. Строевой шаг привел к резонансу, который передался на проржавевшие стропы; более двухсот солдат погибли, упав в реку в результате обрушения моста. Эта катастрофа привела к отказу от строительства подвесных мостов во Франции на целых двадцать лет. В 1831 году английские войска строем переходили висячий мост Бротон, и вследствие резонанса вывернулся болт на одном из его концов. Мост рухнул. На этот раз никто не погиб, но британское армейское начальство выпустило для всех родов войск специальную инструкцию – пересекая мосты, солдаты обязаны шагать вразнобой, не строевым шагом.

Еще один пример. Мост Тысячелетия в Лондоне был открыт в 2000 году, и тысячи пешеходов сразу заметили, что его довольно сильно болтает (инженеры называют этот эффект резонансом изгибных колебаний). Уже через несколько дней власти закрыли мост на два года, чтобы установить на нем демпферы, «гасящие» движения моста, порождаемые шагами пешеходов. Даже великий Бруклинский мост в Нью-Йорке однажды страшно напугал людей, которые столпились на нем во время отключения электроэнергии в 2003 году и почувствовали раскачивание; некоторым даже стало плохо.

В подобных ситуациях пешеходы воздействуют на мост большим весом, чем автомобили, обычно проезжающие по нему довольно быстро, а движения человеческих ног, даже несинхронное, в совокупности могут возбудить резонирующее колебание – вибрацию – в покрытии моста. Когда мост качается в одну сторону, люди компенсируют его движение, переступая на другую сторону и тем самым только увеличивая амплитуду колебания. Даже современные инженеры признают, что недостаточно хорошо представляют возможное влияние человеческой толпы на мосты. На наше счастье, они достаточно знают о строительстве небоскребов, способных выдерживать сильный ветер и землетрясения, которые несут в себе угрозу генерации резонансных частот, в противном случае наверняка уничтоживших бы их творения. Вы только представьте – те же принципы, некогда порождавшие нежные звуки древнейшей флейты наших предков, могут угрожать разрушением массивному Бруклинскому мосту и высочайшим зданиям в мире.

7. Чудеса электричества

Лучше всего это получается зимой, когда воздух особенно сухой. Наденьте полиэстеровую рубашку или свитер, встаньте перед зеркалом в темной комнате и начинайте их снимать. Думаю, вы прекрасно знаете, что услышите приблизительно такое же потрескивание, как когда вынимаете постиранное белье из сушилки (если, конечно, вы не пользуетесь этими неромантичными салфетками с антистатиком, предназначенными для избавления от ненужного электричества). Но, кроме того, вы еще и увидите свечение десятков крохотных искр. Я люблю так делать, потому что это напоминает мне, насколько близка физика к нашей повседневной жизни, если мы, конечно, знаем, где ее искать. И, как я всегда говорю своим студентам, эта маленькая демонстрация еще забавнее, если проводить ее вместе с подружкой или бойфрендом.

Вы наверняка знаете, что, пройдя по ковру в зимнее время года и взявшись за ручку двери (что, вы поморщились?), можно получить удар током; и вам известно, что это «работа» статического электричества. Вам, скорее всего, и самому не раз приходилось бить током при рукопожатии другого человека или чувствовать удар тока, принимая пальто от гардеробщика. Откровенно говоря, такое впечатление, что зимой статическое электричество буквально повсюду. Вы чувствуете, как волосы шевелятся сами по себе, когда вы причесываетесь, и встают дыбом, когда снимаете шапку. Что же не так зимой, и почему в это время года так много искр вокруг?

Ответ на эти вопросы начали искать еще древние греки; они же первыми назвали и сделали письменную запись о явлении, которое сегодня всем известно как электричество. Более двух тысяч лет назад греки знали, что если потереть янтарь – окаменелую смолу, из которой и они, и египтяне делали ювелирные украшения, – тканью, он начинает притягивать кусочки сухих листьев. А если потереть хорошенько, может и хорошенько долбануть.

Я читал истории о том, что, когда древние греки скучали на вечеринках, женщины натирали ювелирные изделия из янтаря тканью своих одежд и прикасались украшением к лягушкам. Лягушки, ясное дело, прыгали, отчаянно стараясь удрать от сумасшедших гуляк, что, по всей видимости, здорово веселило праздных бездельников. Так вот, эти истории начисто лишены какого-либо смысла. Во-первых, вы можете себе представить вечеринку, на которой полно лягушек, только и ожидающих, чтобы их били током какие-то пьяницы? Во-вторых, по причинам, которые я скоро объясню, статическое электричество относительно слабо работает в течение нескольких месяцев в году, в которые как раз чаще всего встречаются лягушки, и когда воздух достаточно влажен – особенно в жаркой Греции. Но независимо от правдивости этой истории один факт абсолютно неоспорим: «янтарь» по-гречески звучит как электрон, так что именно греки дали имя электричеству, равно как и многому другому во Вселенной, как большому, так и малому.

Европейские физики XVI и XVII веков, когда физика еще именовалась натуральной философией, ничего не знали об атомах или их компонентах, но были потрясающими наблюдателями, экспериментаторами и изобретателями, а некоторые – еще и фантастическими теоретиками. Вспомните о Тихо Браге, Галилео Галилее, Иоганне Кеплере, Исааке Ньютоне, Рене Декарте, Блезе Паскале, Роберте Гуке, Роберте Бойле, Готфриде Лейбнице и Христиане Гюйгенсе. Все они делали открытия, писали книги, опровергали теории друг друга и переворачивали средневековую схоластику вверх ногами.

К 1730-м годам поистине научные исследования (в отличие от салонных фокусов) электричества активно велись в Англии, Франции и, конечно же, в Филадельфии. Экспериментаторы выяснили, что если потереть стеклянную палочку куском шелка, то получишь заряд определенного вида (назовем его А), а если точно так же потереть янтарь или резину, получишь другой заряд (назовем его пока что Б). Они знали, что эти заряды разные, потому что, когда они брали две стеклянные палочки, натертые шелком и, следовательно, заряженные зарядом А, и клали их рядом, они отталкивались друг от друга с абсолютно невидимой, но тем не менее вполне ощутимой силой. Объекты, оба заряженные зарядом Б, тоже отталкивались друг от друга. А вот по-разному заряженные объекты, скажем стеклянная (A) и резиновая (Б) палочки, не отталкивались, а напротив, притягивались друг к другу.

То, что предметы заряжаются посредством трения, – чрезвычайно любопытное явление; у него даже название какое-то волшебное: «трибоэлектрический» эффект, от греческого слова, которое переводится как «трение». Такое впечатление, будто трение между двумя объектами создает заряд, однако это не так. Оказывается, некоторые материалы жадно притягивают заряд Б, в то время как другие материалы только и ждут, чтобы от него избавиться и тем самым получить заряд А. Трение работает, потому что увеличивает число точек контакта между веществами, облегчая передачу заряда. На сегодняшний день составлен ранжированный перечень множества материалов, образующих так называемый трибоэлектрический ряд (вы можете без труда найти его в интернете), и чем дальше расположены два материала на этой шкале, тем легче они заряжают друг друга.