Всё о науке за 60 минут

Драгметаллы на дорогах

В нижней части вашего автомобиля, скорее всего прямо под двигателем, скрывается стальная коробка, подключенная к выхлопной системе. Эти коробки впервые начали появляться в машинах еще в середине семидесятых годов, но теперь они распространены повсеместно и ими оборудованы все легковые автомобили, фургоны и грузовики. Внутри каждой такой коробки находится керамическая сотовая структура, покрытие которой содержит примерно три или четыре грамма платины и столь же блестящие и дорогие металлы: палладий и родий. Они способствуют прохождению химических реакций в выхлопных газах и превращают потенциально вредные газы в преимущественно безвредные. Платина и другие металлы действуют как катализаторы. Они не расходуются в ходе этих реакций, и требуется очень малое их количество, чтобы дать толчок реакциям дожигания. Именно присутствие этих драгоценных металлов объясняет, почему стальная коробка, о которой идет речь, называется каталитическим нейтрализатором.

Блок каталитического нейтрализатора керамический и химически инертный, с большой площадью поверхности. Через него могут проходить выхлопные газы. Он не представляет собой монолита в строгом смысле этого слова, так как имеет тысячи крошечных сквозных каналов, обычно квадратных в поперечном сечении. Платина, палладий и родий появляются в конструкции, когда этот блок погружают в раствор, содержащий соли этих драгоценных металлов. Металлы покрывают внутреннюю поверхность каналов блока и, когда высыхают, оставляют после себя микроскопически бугристую поверхность. Смысл всех этих усилий состоит в том, чтобы создать максимально бóльшую площадь поверхности, покрытую платиной, палладием и родием. А ключом к объяснению является тот факт, что нерасходуемое твердое вещество способно помогать реакции в выхлопных газах, или, как говорят, катализировать ее.

Выхлопные газы бензиновых двигателей содержат большое количество токсичных соединений. Самое известное из них – монооксид углерода (угарный газ), сильный яд и парниковый газ, но есть также и частицы несгоревшего топлива, которые действуют как основные видимые глазом загрязнители воздуха. И все же наиболее неприятны, пожалуй, оксиды азота, вызывающие кислотные дожди и разрушающие озоновый слой атмосферы Земли. Современные каталитические нейтрализаторы прекрасно справляются со всеми тремя видами загрязнений. Платина и палладий помогают кислороду вступать в реакцию с угарным газом и остатками несгоревшего топлива с образованием безвредного углекислого газа и водяного пара. А родий и платина катализируют распад оксидов азота, чтобы на выходе получились азот и кислород. Для протекания этих реакций выхлопные газы должны находиться в физическом контакте с драгоценными металлами, поэтому нам и нужен керамический монолит со столь тонкими воздушными каналами. Если бы у нас был блок платины, бóльшая часть газа просто обтекала бы его, не касаясь и не вступая в реакции.

С современными каталитическими нейтрализаторами есть ряд проблем. Для того чтобы пошла реакция дожигания с монооксидом углерода и несгоревшим топливом, нужен кислород. Но обычно в машинах все утраивают так, чтобы в выхлопных газах его было очень мало. В современных автомобилях уровень кислорода до и после того, как выхлоп поступает в каталитический нейтрализатор, тщательно отслеживается и автоматика регулирует подачу воздуха в топливную смесь, впрыскиваемую в двигатель. Другая проблема заключается в том, что все эти химические реакции происходят только при высоких температурах, обычно значительно выше 400 °C. Нейтрализатору требуется около пяти минут, чтобы достичь этой температуры, и выбросы в ходе коротких поездок не успевают превращаться в менее вредные компоненты, поскольку каталитический нейтрализатор не работает, пока не прогреется.

Каталитические нейтрализаторы также подвержены «отравлению» продуктами сгорания топлива и постоянному разрушению из-за утечки в системе охлаждения масла и попадания свинца в топливо, поэтому они начали появляться только после того, как в большинстве стран мира стало применяться неэтилированное топливо. Однако самая серьезная проблема заключается в том, что каталитические нейтрализаторы, как бы их ни берегли, со временем изнашиваются. Как вы помните, драгоценные металлы не расходуются, выполняя свою работу, так что причина не в этом. Езда вызывает вибрации и удары, вследствие которых катализирующее покрытие на керамике нейтрализатора частично разрушается. Таким образом, покрытие из драгметаллов просто стряхивается с вашего старого нейтрализатора, и драгоценная платина вылетает из выхлопной трубы на дорогу. Так что в результате вам все же придется раскошелиться на новый.

Это означает, что современная дорожная пыль буквально смешана с платиной, палладием и родием. Если вы соберете мусор с городских дорог и отсортируете из него пластиковые обертки, жестяные банки и органический материал, у вас останется темно-коричневый остаток. И бóльшую его часть составят частички износа множества автомобилей. Каждый, кто водит машину, знает, как часто приходится менять шины. А куда же идут старые? Измельченная резина попадает на дороги вместе с металлическими частицами из каталитических нейтрализаторов.

А знаете ли вы, что на лучших платиновых рудниках в мире рады, если идет руда с содержанием всего в несколько миллионных долей драгоценного металла? Это дорогостоящая, грязная, вредная для окружающей среды деятельность человека, но она стоит того, поскольку добываемая платина очень и очень ценна. Так вот, коричневый осадок на дорогах имеет такой же уровень содержания платины, как и эта лучшая добываемая руда. Однако процесс получения платины, палладия и родия из дорожной пыли начал разрабатываться совсем недавно. Сегодня этим занимаются ученые из Бирмингемского университета в Англии.

Почему лед скользкий?

Вода во всех ее формах – очень своеобразное вещество, чье поведение не соответствует ни одному из тех, которые мы ожидаем от обычных веществ. А что делает воду еще более странной, так это наша близость к ней. Ведь это химическое вещество, с которым мы знакомы лучше всех. Вода буквально пронизывает нашу повседневную жизнь, но при этом надежно хранит свои тайны. Вот, например, одна из них: почему замерзшая вода, то есть лед, скользкая?

Существует классическое объяснение скользкости льда, которое было очень распространено в учебниках и интернете. Звучит оно так: стоя на льду, вы оказываете на него давление, заставляющее его таять; так образуется слой гладкой жидкой воды, по которой вы и скользите. Традиционно это объяснение сопровождается демонстрацией того, что давление действительно заставляет лед таять.

Через ледяной блок, поддерживаемый с обоих концов, перекинута проволока. На каждом конце этой проволоки подвешены тяжелые грузы. Они создают то высокое давление, которое проволока оказывает на лед. Давление понижает температуру плавления льда непосредственно под проволокой до температуры ниже обычной точки замерзания, а затем и ниже температуры окружающей среды. В результате лед под проволокой тает, и она очень медленно прорезает ледяную глыбу. Если все сделано правильно, по мере того как проволока врезается в блок, жидкая вода, образующаяся за счет давления, снова замерзает над проволокой, и блок остается целым. Проволока проходит сквозь ледяную глыбу, целостность которой сразу восстанавливается.

К сожалению, если вы честно примените физику к этой во всех смыслах скользкой теме, к примеру к человеку на коньках, у вас ничего не сложится. Давление, создаваемое коньком, составляет лишь малую долю того, что создается тонкой проволокой с утяжелением. Поэтому при катании на коньках температура плавления льда снижается лишь на незначительную величину, примерно на 0,02 °C. Однако коньки скользят по льду при температурах гораздо ниже нуля, так что теория давления не может объяснить, почему лед скользкий в данном случае.

За последние несколько десятилетий появилась пара различных объяснений, подкрепленных экспериментальными данными. В 1996 году Габор Соморджай из Национальной лаборатории Министерства энергетики США в Беркли решил заняться этим вопросом. Он начал с обоснованного предположения о том, что лед скользкий потому, что его поверхность смазана жидкой водой. Наш повседневный опыт подтверждает это, ведь когда вы, скажем, вытаскиваете кубик льда из морозильной камеры, он уже имеет влажную и скользкую поверхность. Однако если вы исследуете кубик льда при температуре значительно ниже нуля, то не увидите там знакомого блеска воды. В таких условиях лед становится твердым, как камень, но при этом все равно остается скользким. Доктор Соморджай решил проверить это, направив на очень холодный лед пучки электронов. Теоретически поверхность льда должна быть на 100 % твердой, но отраженный пучок электронов создавал узор, свидетельствовавший о наличии на поверхности льда жидкости. Родившееся объяснение состояло в том, что молекулы воды на поверхности льда просто не удерживаются столь же плотно, как в глубине, и могут свободно перемещаться, как в жидкости. Это дополнительное движение и создает слой жидкой воды толщиной в несколько молекул на поверхности даже самого холодного льда. Конечно, слой слишком тонкий, чтобы его можно было увидеть, но его достаточно, чтобы сделать скользким любой лед независимо от его температуры.

И, казалось бы, все сложилось, но несколько лет спустя, в 2002 году, Мигель Сальмерон, коллега доктора Соморджая из лаборатории в Беркли, использовал последнюю модификацию изобретенного ранее сканирующего атомно-силового микроскопа для определения рельефа поверхности льда. В первых версиях микроскопов этого типа было что-то вроде крошечной иглы проигрывателя грампластинок, которая перемещалась по поверхности. Ее отклонение фиксировалось по изменению величины тока, и результаты записывались. В частности, такой микроскоп мог дать представление о том, насколько шероховата поверхность в почти атомарном масштабе. Доктор Сальмерон обнаружил, что поверхность льда в атомарном масштабе не гладкая, а скорее шероховатая. А значит, малейшее движение по льду порождает трение с его шероховатой поверхностью, что, в свою очередь, приводит к выделению тепла. Это, по предположению Сальмерона, и было тем, что смазывало лед. Трение на атомарном уровне создает тепло, которое плавит поверхность льда, делая его скользким.

Итак, у нас есть одна устаревшая теория и еще два возможных объяснения, подкрепленных научными данными. Хотя эти объяснения не противоречит друг другу, они друг друга не доказывают и не дополняют. Так почему же тогда лед скользкий? Присяжные заседатели еще не определились с вердиктом. Самое странное, на мой взгляд, заключается в том, что столь обыденный вопрос до сих пор не имеет окончательного ответа. Может быть, чтобы его найти, необходима компиляция теорий, а может, дело в чем-то совсем другом. Ну а пока, когда вы в следующий раз поскользнетесь на льду и шлепнетесь на спину, больно ударившись, успокаивайте себя тем, что даже наука не в силах объяснить истинную причину произошедшего.

Метаморфозы электричества

В комнате, где я сейчас нахожусь, есть в общей сложности восемь электрических устройств. Шесть из них подключены через адаптеры, которые меняют переменный ток сети на нужный устройствам постоянный ток 12 В. Седьмое, мой компьютер, тоже работает от постоянного тока, но блок питания встроен в корпус самого устройства. И последнее – измельчитель бумаги, стоящий под моим столом. Я не совсем уверен, что у него нет адаптера, но все же, скорее всего, это единственное устройство в моей комнате, которое работает от переменного тока. И подобная картина повторяется по всему дому. Бóльшая часть электрических устройств функционирует за счет постоянного тока, а не переменного, который подается во все домашние розетки.

Это может показаться странным, но преобразователи энергии, которые есть в наших домах, в лучшем случае эффективны на 90 %. Более старые их разновидности также потребляют ток, даже будучи просто подключенными к сети, но фактически не питая то или иное устройство. Потраченная впустую энергия теряется в виде тепла, и это легко заметить, просто отключив преобразователи и потрогав их рукой. Но почему же нельзя и вовсе исключить из цепочки последние и сразу подавать в наши дома постоянный ток?

Эта идея не нова. На самом деле именно она стояла у истоков. Еще в 1880-х годах два гиганта американской промышленности сражались за то, как будут снабжать электричеством дома людей. Томас Эдисон, великий изобретатель и предприниматель, выступал за постоянный ток, утверждая, что он безопаснее и действеннее. На тот момент электродвигатель постоянного тока уже давно превратился в эффективный и практичный агрегат, тогда как электродвигатель переменного тока только сошел с чертежной доски. Эдисон был готов на крайние меры, чтобы дискредитировать своего соперника, Джорджа Вестингауза. Даже приступил к беспощадной клеветнической кампании против переменного тока, предавая гласности несчастные случаи и снимая на пленку убийства бездомных кошек и собак переменным током. Эдисон дошел до того, что изобрел и построил электрический стул, работавший на переменном токе[23]. Этот стул использовали для казни осужденных заключенных. Кроме того, Эдисон придумал ироническое выражение being Westinghoused (что-то вроде «вестингаузить»), которое означало казнь на электрическом стуле на базе переменного тока. Однако Джордж Вестингауз, сотрудничая с такими гениями, как Никола Тесла, в конце концов победил. Еще бы! Никто не хочет жить по соседству с электростанцией, так что лучше уметь передавать электричество на большие расстояния.

Всякий раз, когда ток течет по проводу (независимо от его диаметра и материала), происходит потеря энергии. Ее величина зависит от силы тока. Увеличьте ток вдвое, и потеря энергии вырастет в четыре раза, уменьшите ток вдвое, и она сократится в четыре раза. Кроме того, при заданной электрической мощности, когда ток уменьшается, напряжение пропорционально растет.

Взятые вместе, эти два фундаментальных факта влияют на то, как лучше передавать электричество по проводам на большие расстояния. Чтобы минимизировать потерю энергии, стоит использовать низкий ток, но, чтобы обеспечить приличное количество энергии при таком токе, напряжение должно быть очень высоким. Сегодня при передаче электроэнергии от электростанций по воздушным линиям электропередач напряжение превышает 765 000 В, или 765 кВ. Это обеспечивает эффективную передачу с минимальными потерями энергии. Трудность же заключается в создании столь высокого напряжения.

С переменным током очень легко преобразовать низкое напряжение в высокое и обратно. Еще Майкл Фарадей изобрел трансформатор – примерно за 50 лет до так называемой войны токов, о которой шла речь выше. Используя трансформатор, мы можем увеличить напряжение на электростанции до сотен тысяч вольт и передать электроэнергию на небольшую местную подстанцию, где оно преобразуется в разумное напряжение, и его подадут в ваш дом.

Если бы вы попытались направить постоянный ток 12 В от электростанции сразу в дом, пусть и находящийся всего в километре, вам потребовалось бы уменьшить сопротивление в кабелях до такой степени, что провод стал бы просто непрактичным. Его диаметр составил бы 50 см. Даже для дома средних размеров с источником постоянного тока в 12 В в гараже вам понадобятся провода в четыре раза толще тех, что у вас есть сейчас. Оказывается, вплоть до того момента, когда вам необходим уже собственно постоянный ток, гораздо проще использовать переменный.

Я понимаю, что едва ли вы хотели бы стать коллекционером разнообразных электрических адаптеров, но ничего с этим не поделать. К сожалению, все наши электронные устройства полагаются на тонкие кремниевые микросхемы и чипы, которые требуют движения тока только в одном направлении, и потому им нужен постоянный ток. Важно понять и то, что современные адаптеры не только эффективнее и меньше, но и не используют электричества, когда к ним ничего не подключено. Однако их неизбежность определяется фундаментальными законами физики.

Электризация автокресел

Типичная искра, возникающая, когда вы выбираетесь из кресла автомобиля, составляет около сантиметра в длину, и в сухом воздухе напряжение такого разряда легко может доходить до 20–30 кВ статического электричества. Двадцать тысяч вольт звучит как очень большой и опасный электрический разряд, но все мы испытывали и гораздо большее напряжение без каких-либо долгосрочных негативных последствий.

Наше понимание статического электричества уходит корнями в историю науки: считается, что впервые оно было упомянуто древнегреческим философом Фалесом Милетским в 600 году до нашей эры. Он заметил одну вещь. Если янтарь потереть о шерсть кошки, можно услышать его едва заметные потрескивания и увидеть искры. (Наверняка Фалес, размышляя над этим явлением, разозлил не одну кошку.)

Нам пришлось ждать более 2 000 лет: лишь в конце XIX века люди начали понимать, почему кошки и янтарь порождают искры. В основе любого электричества лежит электрон – частица, открытая Джозефом Джоном Томсоном, профессором из Кембриджского университета в Великобритании. Томсон понял, что именно скопление этих невероятно крошечных частиц, каждая из которых несет электрический заряд, и ответственно за электричество.

Когда Фалес натирал свою кошку куском янтаря, электроны из меха животного переходили в янтарь, что делало мех в незначительной степени положительно заряженным и создавало отрицательный заряд на янтаре. В конце концов, когда разница в этих зарядах становилась достаточно большой, между янтарем и мехом начинали летать искры (ну а кошка, по-видимому, убегала). Как выяснилось, многие вещества отличаются тем, что хорошо отдают электроны, а другие – тем, что с радостью их принимают. Ученые долго экспериментировали с этим явлением и создали целый список трибоэлектрических веществ, где греческий корень «трибо» переводится как «тереть». В нем представлены различные материалы: от тех, что хорошо отдают электроны и имеют тенденцию становиться положительно заряженными при трении, до тех, что хорошо принимают электроны и становятся отрицательно заряженными. Почти в самом верху списка, где располагаются положительно заряжаемые вещества, находятся человеческие волосы, чуть ниже – мех кошки и гораздо ниже – по сути, уже ближе к другому концу ряда – та самая резина, из которой делают воздушные шарики. Именно поэтому если вы натираете волосы надутым воздушным шариком, то заряжаетесь статическим электричеством и ваши волосы встают дыбом. Теперь они положительно заряжены, так как отдали электроны воздушному шару. Ну а поскольку положительно заряжен и каждый волос в отдельности, они отталкиваются друг от друга. Но притягиваются к отрицательно заряженному воздушному шарику.

Все мы испытывали на себе действие такого накопления электрического заряда и знаем это явление как статическое электричество, поскольку оно именно такое – неподвижное. Электричество от батарейки или из розетки течет по проводникам – металлическим проводам, а статическое электричество образуется на диэлектриках – таких непроводящих материалах, как волосы, резина и мех кошки. О статическом заряде мы узнаем только тогда, когда волосы начинают вставать дыбом или палец пронзает искра. Оказывается, воздух – никакой не диэлектрик. Он может быть проводником электричества. Если между двумя соседними объектами накапливается достаточное количество статического заряда, то вся конструкция в какой-то момент срабатывает как искровой промежуток[24], нейтрализуя положительные заряды отрицательными. Когда это происходит, трение, вызванное потоком электронов, нагревает воздух до высоких температур и создает раскаленный добела поток сверхнагретых молекул, то есть молнию. Внезапное нагревание воздуха, а затем его охлаждение порождает всем известный треск – гром. В зависимости от влажности воздуха для каждого сантиметра длины искры необходимо напряжение от 15 до 30 кВ.

Итак, как же все эти древнегреческие кошки с янтарными палочками соотносятся с искрой, которую вы иногда чувствуете, когда выходите из машины? Сиденье в вашем автомобиле спроектировано таким образом, чтобы быть прочным и удобным. Пытаясь этого добиться, дизайнеры автокресел обычно используют полиэстер или иногда ткань с виниловым покрытием для финального слоя своих изделий. С другой стороны, носите вы, вероятно, более удобные материалы, такие как хлопок, шерсть или нейлон. Если обратиться к списку трибоэлектрических веществ, легко заметить, что полиэстер и винил занимают в нем позиции почти в самом низу и отличаются сильной склонностью к захвату электронов и отрицательному электрическому заряду. А материалы, из которых сделана ваша удобная одежда, располагаются в этом списке выше, они с легкостью отказываются от электронов и получают положительный электрический заряд. Когда вы выходите из машины, то поворачиваетесь на сиденье, вытягивая ноги. При этом хлопчатобумажная ткань трется о полиэстер. Уже это действие порождает огромный перенос электронов от вас к автомобилю. Ну а поскольку единственная часть тела, которая касается автомобиля, это ваша рука, держащая пластиковую непроводящую ручку двери, то этот заряд остается на вас, когда вы выходите из машины и поднимаетесь над сиденьем. Теперь вы стоите на земле, допустим в ботинках с изолирующей резиновой подошвой, и опять же положительный заряд, который вы накопили, остается на вашем теле, особенно если это сухой день. Но вы хотите закрыть дверь. И когда кончик вашего пальца касается дверцы, электроны соскакивают с металла машины, что нейтрализует ваш положительный заряд. Искра легко может достигать длины в 1 см, а следовательно, сила разряда способна добраться до отметки 30 кВ в сухой день. К несчастью для вас, на кончиках пальцев особенно много нервных окончаний, которые стимулирует искра, так что вы чувствуете пусть недолговременную, но острую боль.

Да, чаще всего это лишь мимолетная боль, однако подобная ситуация как таковая способна привести к гораздо более серьезным последствиям, особенно когда вы заправляете свой автомобиль бензином. Пустой топливный бак до краев заполнен парáми бензина, и при заливании топлива все эти пары выходят наружу. На многих заправочных станциях, после того как вы начнете перекачивать топливо, можно блокировать ручку насоса, что позволит вам отойти в сторону и дать возможность работать автоматике. Но, к сожалению, часто люди не отходят в сторону, а возвращаются в тепло автомобиля, чтобы подождать. Когда они встают с кресла, то заряжают себя электронами за счет трения одежды о покрытие автокресла и разряжаются лишь тогда, когда касаются ручки бензонасоса, создавая искру. И выходящие из бака пары бензина могут от этого чудовищно быстро воспламениться.

Есть несколько способов избежать создания статической искры, когда вы покидаете свой автомобиль. Например, когда вы уже вышли, можно коснуться любой его металлической поверхности. Просто положите руку на металл кузова сбоку или сверху дверной рамы. И все же однажды вы наверняка забудете это сделать, и в действительно сухой день, когда на вас будет надето много хлопка, вы получите целый поток искр, как только поднесете руку к автомобилю. Так что есть и второй совет, возможно довольно непрактичный и неудобный, зато всегда срабатывающий: носите одежду из полиэстера и виниловой ткани.

Поддержание теплицы в тепле

Каждый из нас не понаслышке знает, что такое душное тепло оранжереи или плохо проветриваемого офиса, где все изнемогают от жары в солнечный день. Ну а еще одним примером так называемого парникового эффекта является обычная теплица. Я думаю, не один я задавался вопросами, связанными с этим эффектом. Например: почему, если тепло попадает в теплицу, оно не выходит наружу? Вместо этого оно постепенно накапливается, и температура взлетает вверх.

В основе парникового эффекта лежит интересный, хотя и сложный закон – закон излучения абсолютно черного тела. Физика этого процесса весьма утомительна, но по существу все сводится к распределению мощности электромагнитного излучения в различных диапазонах длин волн, испускаемых объектом, а также к зависимости этого распределения от температуры.

Средняя температура поверхности Солнца составляет около 5 500 °C. Наиболее интенсивно оно испускает электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 300 до 700 нм. Это расстояние между соседними пиками волн, которое практически невозможно представить, но гораздо проще остановиться на том, что в 1 мм помещается несколько десятков тысяч таких пиков. Следует отметить, что это как раз диапазон длин волн видимого света, что, впрочем, неслучайно. Человеческий глаз эволюционировал таким образом, чтобы использовать ту часть светового спектра, которая наиболее интенсивна на поверхности Земли. Конечно, в солнечном свете присутствует также некоторое количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, но оно в значительной степени отражается или поглощается нашей атмосферой, хотя и то, что добирается до нас, если говорить об ультрафиолете, может вызывать появление загара на коже (или ожога, как в моем случае).

Когда солнечный свет достигает окна, видимый свет проходит сквозь него, а оставшееся инфракрасное и ультрафиолетовое излучение поглощается стеклом. Затем видимый свет попадает внутрь оранжереи, на плетеную мебель и комнатные растения. Ясно, что все это не является на 100 % отражающим, поэтому часть света мебель и растения поглощают. А поглощая, они захватывают энергию этого света и превращают ее в тепло.

Теперь нам нужно привлечь теорию излучения абсолютно черного тела. Все предметы внутри теплицы или оранжереи испускают электромагнитное излучение, пусть и в виде тепла. Если их температура около 15 °C, то максимальная мощность их излучения приходится на инфракрасную область спектра с длиной волны от 7 000 до 20 000 нм. Выше мы говорили, что свет, нагревающий предметы в оранжерее, характеризуется диапазоном длин волн 300–700 нм, так что имеет место примерно 25-кратное изменение длины волны, и это создает парниковый эффект.

Воздух вокруг нас гораздо менее прозрачен для электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне. Следовательно, это инфракрасное излучение не выходит прямо из оранжереи, а поглощается воздухом, который оно нагревает. И за счет смещения своего максимума излучение фактически оказывается в ловушке внутри оранжереи или любой другой теплицы. Как только воздух нагревается, он начинает создавать конвекционные потоки. Теплый воздух поднимается вверх, удаляясь от нагретых солнцем предметов и позволяя входить с ними в контакт более холодному воздуху. Этот воздух тоже нагревается, и цикл продолжается, так что постепенно нагревается весь объем воздуха. В результате оказывается, что обычная система отопления в теплице неэффективна (да она там и не нужна). Солнечный свет и без нее добавляет все больше энергии, а предметы внутри продолжают нагреваться, передавая тепло в воздух. Температура поднимается все выше и выше.

Все это объясняет и парниковый эффект в планетарном масштабе – тот, что служит сегодня движущей силой изменения климата на нашей планете. Правда, в этом случае есть крайне важное дополнение к приведенным рассуждениям: оно состоит в том, что углекислый газ особенно хорошо поглощает повторно испускаемое инфракрасное излучение. Кроме того, хотя у атмосферы Земли нет стеклянной крыши в буквальном смысле, более теплый воздух все же удерживается гравитационным притяжением нашей планеты. А углекислый газ, содержащийся в выбросах промышленных предприятий, дополнительно повышает температуру на ее поверхности.

Для планетарного варианта парникового эффекта, помимо идеи сокращения выбросов углекислого газа, решения у нас пока нет. Однако для более локальных внутренних случаев у науки есть ответ. Либо остановить поступление в помещение солнечного света, опустив жалюзи, либо использовать вентилятор для создания прохладного бриза. Если оборудовать вентиляционное отверстие в самом верху застекленной теплицы и позволить воздуху туда проникать, горячий воздух выйдет наружу и потянет холодный воздух внутрь. Это не остановит нагревание теплицы, но сделает парниковый эффект не таким сильным.

Обдув холодным воздухом

По мере приближения зимы и снижения ночных температур все сильнее ощущается необходимость утреннего обдува ветрового стекла автомобиля. В следующий раз, когда вы будете сидеть в машине и ждать, пока обогреватель автомобиля сделает свою работу, подумайте над тем, что же происходит в этот момент.

Все это чистая термодинамика. Представьте себе стакан воды температурой 20 °C. Этой температуре соответствует средняя энергия всех молекул в воде. Но при этом у одних молекул энергии все равно больше, а у других – меньше этого среднего значения. Время от времени какая-нибудь высокоэнергетическая молекула достигает поверхности воды и выходит из жидкости, испаряясь и превращаясь в молекулу водяного пара. Точно так же молекулы водяного пара с низким уровнем энергии из воздуха иногда сталкиваются с водой и остаются там, конденсируясь и превращаясь из пара в жидкость. Количество молекул воды в водяном паре над стаканом воды зависит от баланса между этими двумя процессами. Увеличьте среднюю температуру, и больше молекул улетучится в пар. Уменьшите – и перевес будет в сторону конденсации.

Теперь оставим гипотетический стакан и снова вернемся к машине. Но не к тому моменту, когда мы сталкиваемся с запотевшим ветровым стеклом, а к вечеру перед этим. Изрядное количество воды в машине есть всегда – она попадает туда с ботинок, мокрой собаки или просто присутствует в воздухе, который выдыхают водитель и пассажиры. Когда вы припарковались, в машине было очень тепло, а на окнах не было никакой росы. А значит, баланс между испарением и конденсацией сдвинулся в сторону первого. И когда вы покинули автомобиль, он был полон водяного пара.

А сейчас перенесемся в следующее утро. За ночь температура воздуха снаружи падает и начинает охлаждать автомобиль. А окна – первое, что в нем остывает, ведь это самая тонкая его часть. Воздух рядом с окнами постепенно охлаждается, и энергия водяного пара в нем уменьшается. Это смещает баланс в сторону конденсации, и молекулы водяного пара начинают соединяться, образуя крошечные капельки жидкой воды на стекле. Этот процесс облегчают пылинки или жир на стеклах окон. Так что, подходя к своему автомобилю утром, вы видите, что внутренняя поверхность его окон оказывается покрытой множеством капелек воды.

Итак, можно ли этого избежать? Что ж, изменить законы термодинамики все же не в наших силах, но есть несколько советов, которые могут помочь. Постарайтесь, чтобы внутри автомобиля было сухо. Убедитесь, что ваша система отопления не настроена на рециркуляцию, а переключена на втягивание свежего воздуха, который, вероятно, менее влажный. Протирайте окна дочиста от отпечатков жирных пальцев. Хотя эти меры предосторожности должны уменьшить выраженность проблемы, вы неизбежно обнаружите, что ветровое стекло все равно запотевает. И когда сядете в машину, то наверняка решите включить отопление на полную мощность, чтобы очистить его. Однако система отопления вашего автомобиля не продувает горячий воздух до тех пор, пока не нагреется двигатель. Поэтому сначала печка будет выдувать холодный влажный воздух, который лишь все усугубит. Лучший выбор в данном случае – это включить кондиционер. Может показаться нелогичным выдувать холодный воздух, но кондиционер не только охлаждает воздух, но и снижает его влажность, подсушивает его. Этот более сухой и холодный воздух смещает баланс в сторону водяного пара, и ветровое стекло постепенно очищается.

Бумеранги всегда возвращаются

Некоторое время назад у меня была возможность войти в состав команды, пытающейся побить мировой рекорд по метанию самого большого бумеранга, зарегистрированный в Книге рекордов Гиннесса. Бумеранг, который мы использовали, достигал 2,94 метра и казался настоящим монстром. Изготовленный из легкого дерева, он не был таким уж тяжелым, но все же требовались значительные усилия, чтобы его запустить. Кроме того, огромный размер обусловливал хрупкость, а это означало, что всего один неверный бросок – и бумеранг разобьется при ударе о землю. Правила для этой конкретной номинации гласили, что бумеранг должен отлететь от метателя на 20 м, а вернувшись, оказаться на расстоянии в пределах 10 м от него. Поскольку свою попытку мы предпринимали на известном и весьма престижном овальном крикетном поле в центре Лондона, у нас было совсем немного времени, чтобы побить рекорд. К тому же за нами внимательно следили смотрители: они опасались, что мы испортим ухоженный газон. Оглядываясь назад, я не могу не признать, что мы выбрали весьма впечатляющее место для попытки, хотя, возможно, и не самое разумное.

Несмотря на все проблемы, Адаму Маклафлину из Британского общества любителей бумерангов и мне в составе команды удалось установить мировой рекорд. Признаю, что, к сожалению, в этом не «повинен» ни один из моих собственных бросков. Да, брошенный мною бумеранг отлетел на 6,09 м, но этого было недостаточно. Именно Адам сделал рекордный бросок, который зачли. И это справедливо, поскольку честь создания нашего бумеранга принадлежит прежде всего ему. Этот опыт открыл мне глаза на мир бумерангов, и с тех пор я начал исследовать научные принципы, которые заставляют их возвращаться.

Вот первая ошибка, которую я совершил, как и большинство людей, впервые столкнувшихся с бумерангами. Все, буквально все, пытаются бросать их как фрисби. Однако бумеранг стоит держать вертикально при его запуске. Также его следует правильно взять. Одна сторона крыльев бумеранга плоская, а другая изогнута, как крылья самолета. То есть один край каждого крыла толще, а другой – тоньше. Нужно держать бумеранг вертикально в правой руке указательным и большим пальцами, причем изогнутая поверхность должна быть направлена к вам, а плоская – от вас. Соблюдение этой техники крайне важно для того, чтобы бумеранг вернулся. И это означает, что можно делать и левосторонние бумеранги для левшей. Теперь резким броском и быстрым движением запястья вы можете запустить бумеранг и придать ему необходимое вращение.

Ну а дальше все становится несколько нелогичным, поскольку физика вращающихся объектов немного странная. В случае с бумерангом работают два фактора, первый из которых связан с гироскопами. Надеюсь, вы поймете, что я имею в виду, ведь наверняка вы хотя бы раз в своей жизни с ними сталкивались. (Если же вы не видели, на что способны гироскопы, то, о чем пойдет речь далее, покажется вам практически волшебством.) Это маленькие маховики, установленные в металлических проволочных рамах, которые можно вращать с помощью куска веревки. Такая конструкция удивительным образом может балансировать на пальце.

Любой объект, способный вращаться, действует как гироскоп, и бумеранги не исключение. Но давайте на мгновение забудем о них и рассмотрим другой вращающийся объект. Представьте, что у вас есть колесо, которое вращается вертикально вокруг горизонтальной оси – это может быть велосипедное колесо или игрушечный гироскоп. Если вы попытаетесь повернуть ось вниз, по направлению к земле, чтобы колесо вращалось под углом к вертикали, произойдет нечто очень странное. Колесо будет сопротивляться вашим попыткам наклонить его. С точки зрения физики решающую роль здесь играет закон сохранения углового момента. Когда вы пытаетесь повернуть вращающуюся вещь, возникает сила, пытающаяся остановить вас. Но еще более странно то, что сила, которую вы применяете, меняет направление, отклоняясь на 90 градусов. Когда вы стараетесь повернуть ось вашего колеса вниз, само колесо остается вертикальным, но поворачивается влево или вправо в зависимости от направления вращения. Это называется прецессией гироскопа, и ее действительно нужно увидеть, чтобы поверить в нее.

Не забывайте сказанное выше, пока я буду рассказывать вам о втором факторе, порождающем странности, происходящие с бумерангом и его крыльями. Обычно бумеранги имеют только два крыла, но в принципе у них может быть любое количество крыльев. Особенно эффективны и легче бросаются, чем традиционные, трехкрылые Y-образные и четырехкрылые X-образные бумеранги. Когда они вращаются в воздухе, крылья создают подъемную силу точно так же, как крылья самолета. Но поскольку бумеранг вращается вертикально, подъемная сила, создаваемая крыльями, толкает его не вверх, а в сторону. Если бросить бумеранг правой рукой, вращающиеся крылья будут заставлять его двигаться влево. И чем быстрее вращаются последние, тем сильнее они толкают бумеранг в сторону.

Бумеранг не просто вращается, он также летит вперед в воздушном пространстве. И, помимо скорости вращения крыльев бумеранга, вы должны учитывать и эту скорость его поступательного движения. Когда крыло находится в верхней части бумеранга, оно движется в том же направлении, что и весь бумеранг, поэтому все скорости нужно складывать. И наоборот: при нахождении крыла внизу скорость его вращения необходимо вычесть. Все это означает, что крылья бумеранга движутся быстрее будучи наверху, а не внизу, и толчок, создаваемый вращающимися крыльями, тоже сильнее наверху. Не только бумеранг в целом сдвигается в сторону, но и ось его вращения закручивается вниз.

Вращающийся бумеранг действует подобно гироскопу, который закручивается вниз, после чего в игру вступает прецессия гироскопа. Благодаря этому эффекту вертикально вращающийся бумеранг перемещается по большой петле и, если вы бросаете правильно, возвращается почти точно к вашим ногам.

Поверьте, заставить бумеранг вернуться в руки метателя намного сложнее, чем об этом рассказывают. Увы, теоретическое знание не очень-то помогает на практике в данном случае. Не забывайте, что бросать нужно под прямым углом к ветру. Кроме того, некоторые совершенствуют форму крыльев, чтобы они давали достаточную подъемную силу, и оттачивают технику движения запястьем. Как только вы со всем этим освоитесь, бумеранг в ваших руках перестанет быть изогнутой палкой. Он будет возвращаться снова и снова. Но я все же не советую сразу пытаться бросить бумеранг длиной 2,94 м от края до края. Начните с какого-нибудь более подходящего экземпляра.