Это невероятно! Открытия, достойные Игнобелевской премии

Джон Кеог. «Циркулярное приспособление для облегчения передвижения», оно же — «колесо». Австралийский патент на инновацию № 2001100012. Кеогу и Патентному бюро Австралии была присуждена Игнобелевская премия по технологии 2001 года.

Сведения о международной серии экспериментов покойного Норберта Элиаса, объектом которых были развязанные шнурки, скудны. И все же Инго Мёрту удалось кое-что разыскать.

Мёрт, профессор Университета имени Иоганна Кеплера в Линце, стал героем новостей, когда в июньском выпуске издания Figurations: Newsletter of the Norbert Elias Foundation появилась его работа: «Прорывный эксперимент со шнурками». Профессор пишет: «Норберт Элиас затеял серию прорывных экспериментов, каждый из которых начинался где придется, а заканчивался в Испании, Франции, Англии, Германии или Швейцарии. По территории каждой из этих стран он прогуливался с намеренно развязанными шнурками».

Элиас — известный социолог. Его научная карьера началась в Германии в 1930-е. Выйдя в отставку с преподавательской должности в Университете Лейчестера в 1964 году, он отправился путешествовать по миру, но и в роли туриста не прекращал заниматься социологическими исследованиями.

В 1965 году девушки из испанской рыбацкой деревушки Торемолинос захихикали, едва его увидя, — и социолог вскоре понял, в чем причина: шнурки на его левом ботинке «развязались и волочились по земле». Мёрт описывает волшебное превращение: «Завязывая шнурок, Элиас почувствовал, что по крайней мере на несколько секунд стал для жителей деревни своим. Проходящие мимо приветствовали его одобрительным кивком — они давали понять, что шнурки Элиаса только что нарушали своим видом заведенный здесь порядок вещей, но теперь все как полагается».

Так началась серия экспериментов: Элиас принялся разъезжать с намеренно развязанными шнурками по всей Европе. В Англии, сообщает он, «по большей части пожилые джентльмены подходили предупредить меня об опасности споткнуться и упасть». В Германии «мужчины постарше время от времени глядели на меня с презрением, тогда как женщины желали немедленно ликвидировать бросающееся в глаза нарушение порядка. Ситуация повторялась и в трамваях, и на улице».

Профессор со своими шнурками стал — пусть и не снискал за это признания при жизни — пионером метода, который теперь называют «кризисный эксперимент». Этот термин придумал американский социолог Гарольд Гарфинкель, который такими экспериментами и прославился. Как объясняет Мёрт, эти эксперименты «идут вразрез с тем, чего мы ждем по умолчанию в разных бытовых ситуациях, — и поэтому вызывают страх и замешательство у присутствующих».

Многие из почитателей Норберта Элиаса (в фонде, названном его именем, и не только) слышали краем уха, что он сделал нечто важное со шнурками. Но поскольку строгой научной статьи, оформленной по всем правилам, он так и не написал, большинство даже не представляло, что сможет прочесть рассказ от первого лица о том, где, когда и как эти эксперименты проводились. Благодаря Мёрту другие ученые наконец узнали, что такой рассказ был напечатан в немецком еженедельном журнале Die Zeit в 1967 году — в рубрике «Путешествия», под заголовком «История о шнурках».

Mörth I. (2007). The Shoe-lace Breaching Experiment. Figurations: Newsletter of the Norbert Elias Foundation 2 (27): 4–6.

Elias N. (1967). Die Geschichte mit den Schuhbändern. Die Zeit, 17 November.

Елена Боднэр, Рафаэль Ли, Сандра Маржан, «Предмет одежды, который можно быстро превратить в один или несколько респираторов» (патент США № 7255627, выдан в 2007 году). В 2009 году изобретение удостоено Игнобелевской премии по здравоохранению.

Иллюстрация к патенту «Предмет одежды, который можно быстро превратить в один или несколько респираторов».

Ногтями по меловой доске. Почему от одной этой фразы у нас пробегает озноб по спине? Проблема беспокоит ученых вот уже 2300 лет. Еще Аристотель отметил существование «тяжелых звуков», но не потрудился объяснить, откуда они берутся.

В середине 1980-х трое ученых взялись за задачу всерьез: они заставляли добровольцев слушать синтезированные электроникой звуки, имитирующие скрежет от ногтей. Д. Линн Хальперн, Рэндольф Блейк и Джеймс Хиллебранд из Северо-западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, опубликовали результаты в журнале Perception and Psychophysics. Статья называлась «Психоакустика ужасных звуков».

Первым делом они поставили серию опытов с целью выяснить, какую ступень в иерархии неприятных звуков занимает скрежет ногтей.

Исследователи завербовали группу добровольцев — отличную от той, которой позже предстояло столкнуться лицом к лицу со всеми видами и вариациями Звука Звуков. Первой группе дали прослушать в записи 16 звуков, которые в теории могли бы вызвать дискомфорт: нужно было оценить, насколько раздражает каждый из них. Результаты варьировались от «так себе» (звон колокола, шелест велосипедных шин, журчание воды) до «мучительных». Нескольких добровольцев слегка раздражало позвякивание ключей. Если двигаться в сторону возрастания дискомфорта, за ключами шли точилка для карандашей; мотор блендера; табуретка, которую волокут по полу; выдвижные металлические ящики; рубанок по дереву; рубанок по металлу и, наконец, пенопласт — когда два куска трут друг о друга. Но раздражающий эффект от скрежета ногтей затмевал их все.

Выяснив этот простой факт, Хальперн, Блейк и Хиллебранд оцифровали свои магнитофонные записи, чтобы путем манипуляций на компьютере легко превращать высокие частоты в низкие и наоборот. В статье особо отмечается: исследователи были убеждены, что запись их отличного качества. «Для авторов и еще нескольких вынужденных слушателей из числа подопытных, — пишут Хальперн с коллегами, — сигнал, оцифрованный и очищенный от помех, звучит очень похоже на оригинал и столь же неприятно».

Содрогающимся от отвращения добровольцам пришлось выслушать несколько вариантов звуков, прошедших цифровую обработку, и оценить, насколько неприятен каждый из них.

Выводы, сделанные по итогам эксперимента, заслуживают того, чтобы их процитировать: «Наши результаты демонстрируют, что звук твердого предмета, которым скребут по доске, неприятным делает акустическая энергия в форме волн с частотой посередине диапазона, доступного человеческому слуху. Вопреки ожиданиям, высокие частоты не являются ни необходимыми, ни достаточными для того, чтобы вызвать чувство отвращения. Однако по-прежнему неясно, почему этот и похожие звуки так режут слух».

Но этим история не заканчивается. В 2004 году Джош Макдермот и Марк Хаузер из Гарвардского университета, проведя серию акустических и психологических опытов, обнаружили принципиальное различие между студентами Гарварда и хохлатыми тамаринами. В отличие от студентов, эти обезьяны не стремятся сбежать из помещения, где скребут ногтями по доске. Макдермот и Хаузер отважились выдвинуть свою гипотезу на этот счет — по их мнению, эффект может быть связан со способностью человека понимать музыку и воспринимать ее эмоционально.

В 2006 году Хальперну, Блейку и Хиллебранду была присуждена Игнобелевская премия по акустике. Но загадка осталась загадкой, и она по-прежнему щекочет нервы всем, кому о ней рассказывают.

Halpern D. L., Blake R., Hillenbrand J. (1986). Psychoacoustics of a Chilling Sound. Perception and Psychophysics 39: 77–80.

McDermott J., Hauser M. (2004). Are Consonant Intervals Music to Their Ears? Spontaneous Acoustic Preferences in a Nonhuman Primate. Cognition 94: B11-B21.

Отчего и когда молодежь прыгает и скачет? Этим вопросом задались Аллен У. Бертон, Луис Гарсиа и Клерсида Гарсиа. Ответ появился в научной статье «Прыжки и скачки у студентов: воспоминания о том, когда и где это случалось». Бертон, сотрудник университета Миннесоты, и супруги Гарсиа, сотрудники Университета Северного Иллинойса, пишут: «Цель настоящего исследования — сравнить причины, по которым молодые взрослые скачут и прыгают, а также выяснить, когда они это делали в последний раз».

Исследователи опросили 253 девушки и 411 юношей из числа студентов университета. Каждому из них были заданы четыре вопроса, в важности которых трудно усомниться:

1. Как давно вы последний раз подпрыгивали просто так, спонтанно?

2. Почему вы подпрыгнули? Другими словами, что вызвало у вас прыгательное поведение?

3. Как давно вы последний раз спонтанно подскакивали?

4. Почему вы подскакивали? Другими словами, что вызвало у вас скакательное поведение?

Основываясь на результатах опроса, Бертон, Гарсиа и Гарсиа заключают, что прыгать и скакать — определенно не одно и то же. По крайней мере, в тех случаях, когда эти действия рассматриваются в контексте вопросов «когда» и «почему». В статье эта идея разъясняется подробнее. Результаты сведены в таблицу.

Так обстоят дела, если спрашивать «когда» и «почему». А что насчет «как»?

Клэр Фарли, Рейнхард Бликан, Жаклин Саито и Ричард Тейлор из Гарвардского университета опубликовали подробный шестистраничный доклад о своих опытах по выяснению «частоты прыжков у человека». Прыгали двое юношей и две девушки, каждый (каждая) на своей беговой дорожке. Дорожка в разные моменты времени двигалась с разной скоростью. Как оказалось, у всех своя любимая частота. Выбрав ее, прыгун, с точки зрения физики, начинал вести себя, как камень, приклеенный к струне.

Но и это касается подпрыгивания на обеих ногах. Прыгать на одной ноге — совсем другое дело. По крайней мере, здесь маячит возможность задаться новыми вопросами. Ею, этой возможностью, воспользовались Дж. П. Остин, Г. Э. Гарретт и Д. Тиберио из Университета Святого Сердца в Фэйрфилде, штат Коннектикут. В июне 2002 года читатели узнали их имена благодаря работе «Прыжки на одной ноге: эффект лишнего веса». Шесть месяцев спустя увидел свет новый научный труд: «Прыжки на одной ноге: эффект частоты». На следующий год авторы обогатили человечество исследованием «Прыжки на одной ноге: эффект лишнего веса для трех разных частот».

Четыре самых популярных ответа юношей и девушек на вопрос «Когда вы последний раз подпрыгивали/ подскакивали?» и еще 24 аффективных ответа.

Шагает ли эта группа нога в ногу со своими конкурентами? И далеко ли заведет их многообещающая программа исследований? Посмотрим.

Burton A. W., Garcia L., Garcia C. (1999). Skipping and Hopping of Under-graduates: Recollections of When and Why. Perceptual and Motor Skills 88: 401-6.

Farley C. T., Blickhan R., et al. (1991). Hopping Frequency in Humans: A Test of How Springs Set Stride Frequency in Bouncing Gaits. Journal of Applied Physiology 71 (6): 2127-32.

Austin G. P., Garrett G. E., Tiberio D. (2002). Effect of Added Mass on Human Unipedal Hopping. Perceptual and Motor Skills 94 (3): 834-40. Austin G. P., Tiberio D., Garrett G. E. (2002). Effect of Frequency on Human Unipedal Hopping. Perceptual and Motor Skills 95 (3): 733-40. Austin G. P., Tiberio D., Garrett G. E. (2003). Effect of Added Mass on Human Unipedal Hopping at Three Frequencies. Perceptual and Motor Skills 97 (2): 605-12.

Может ли машина угадать, что вы жуете, ориентируясь только на звук? Да, если вы находитесь в лаборатории в Цюрихе (Швейцария), или в Халльин-Тироле (Австрия), и перекусываете картофельными чипсами, яблоками, салатом, пастой или вареным рисом.

Оливер Амфт, Матиас Стагер и Герхард Трёстер из Швейцарского федерального технологического института, а также Пауль Лукович из австрийского Университета медицинских наук, медицинской информатики и техники (UMIT) описывают свою работу так: «Использование мобильных микрофонов для записи и классификации звуков жевания (называемых также звуками мастикации), идущих изо рта подопытного». Однако, объясняют ученые, это только первая стадия воплощения их мечты в жизнь. Мечта довольно необычная: построить прибор на основе компьютера, который «точно и со стопроцентной надежностью будет определять тип и количество поглощенной пищи».

Однако и первый этап дался нелегко. Ученые перечисляют три разных метода, которые могут быть применены для автоматического угадывания съеденного:

а) запись и распознавание звуков жевания;

б) использование электродов, закрепленных у основания шеи (например, на специальном воротнике), способных реагировать на акт глотания;

в) использование датчиков движения, которые бы следили за руками, когда те отправляют пищу в рот.

Амфт, Стагер, Трёстер и Лукович выбрали вариант (а). Только он выглядел технически реализуемым при имеющемся уровне развития технологий.

Хотя научная статья и адресована специалистам, в ней есть детали, способные порадовать каждого. Моя любимая — график, озаглавленный «Звуки жевания и речь, записанные в комнате с фоновой музыкой», который показывает амплитуду звуковых колебаний на протяжении одной минуты. Четыре отрезка графика названы так: «поедание салата», «едок говорит», «поедание пасты» и «играет музыка».

Вот некоторые из вещей, которые ученым удалось выяснить в результате анализа 650 «актов жевания», записанных при участии четверых здоровых едоков:

• запись жевания выходит наиболее качественной, если поместить микрофон в ушной канал;

• звуки жевания можно отличить от сигнала, полученного при смешении речи, тишины и жевания;

• прослушивая последовательность звуков жевания, можно выяснить, когда именно начался отдельный жевательный акт;

• вероятность, что система выдаст правильный ответ, различая по звукам жевания разные виды пищи, выше 80 %.

Эти выводы потребовали от ученых десятилетий активной работы, у истоков которой стоял некто Б. К. Дрейк из Швейцарского института проблем консервирования: еще в 1963 году он издал свой труд «Звуки перемалываемой еды. Введение».

Анализ звуков жевания — весьма узкая область науки (чтобы познакомиться с наиболее радикальными результатами, см. главку «Музыка чипсов» на странице 139). Собственное название у нее появилось только в 1966 году, когда британский стоматолог Д. М. Уатт написал статью «Гнатосоника: исследование звуков, производимых в процессе мастикации».

Амфт, Стагер, Трёстер и Лукович гордятся своим изобретением. Однако, помня о пределах возможностей техники, они стараются не усложнять его сверх меры. Вот что они говорят по этому поводу сами: «Система, способная приносить пользу, не обязана быть полностью автоматической. Вполне достаточно, если в конце дня она, к примеру, мягко напомнит пользователю: „на обед вы съели нечто влажное и хрустящее — вероятно, салат, — и немного мягкой пищи (картошка или спагетти)“. И попросит его самого уточнить детали».

Amft O., Stager М., et al. (2005). Analysis of Chewing Sounds for Dietary Monitoring. UbiComp 2005: Proceedings of the 7th International Conference on Ubiquitous Computing, Tokyo, Japan, 11–14 September: 56–72.

Drake B. K. (1963). Food Crushing Sounds: An Introductory Study. Journal of Food Science 28 (2): 233-41.

Watt D. M. (1966). Gnathosonics: A Study of Sounds Produced by the Masticatory Mechanism. Journal of Prosthetic Dentistry 16 (1): 73–82.

Приложившись к бутылке, профессора физики уже ее так просто из рук не выпустят. Возьмем, для примера, Кристофа Клане и Джеффри Сирби, написавших весьма содержательную 14-страничную работу «Про буль-буль идеальной бутылки», которую напечатал Journal of Fluid Me-cha nics. Как и великое множество текстов, написанных в Европе за последние пару веков, их труд повествует, что происходит, когда жидкость льется из сосуда.

Оба эксперта по розливу работают в Институте неравновесных физических явлений в Марселе (Франция). Оба увлечены проблемами пузырьков и двигателей. Сирби возглавляет франко-германский комитет, изучающий процессы внутри реактивных ракет, а Клане считается самым серьезным экспертом по вопросу подпрыгивания плоских камней, пущенных по воде.

«Буль-буль» с легкой руки этих двоих стал официальным техническим термином. Они запустили его в научный обиход на научной конференции в 1997 году, где представили свой первоначальный доклад «Про буль-буль бутылки». Первая фраза звучала так: «Мы исследуем экспериментально опорожнение вертикального цилиндра диаметром D и длиной Ь». Аудитория встретила эту работу тепло, и Клане с Сирби занялись дальнейшим изучением эффекта «буль-буль». Были испробованы как теоретический, так и экспериментальный подходы.

Статья, вышедшая вскоре, начинается таким философским пассажем: «Жизнь есть приближение к термодинамическому равновесию смерти с каждым циклом колебаний наших сердец». После лирического вступления описывается «ономатопическое буль-буль» опорожняемой бутылки. «Это колебательное поведение, — напоминают нам авторы, — начинается, едва бутылку вскроют, и заканчивается, только когда она опустеет».

Центр тяжести бутылки сдвигается чуть-чуть вверх, потом чуть-чуть вниз, и так раз за разом. Вверх-вниз, вверх-вниз, пока вся жидкость не вытечет. Клане и Сирби нарисовали график этого движения — визуальное представление «буль-буля», которое некоторые ученые находят таким же завораживающим, как и его звук.

В эксперименте использовались ньютоновская жидкость, емкость, два клапана, насос, датчик давления, камера и лазерный луч. Источником вдохновения послужила работа о поведении пузырьков, написанная в конце 1940-х Джеффри Тейлором из Кембриджского университета. Пузырьки Тейлора повлекли за собой целый ряд опытов по опустошению бутылок в разных странах, кульминацией которых стала работа Клане и Сирби про «буль-буль».

Плоды эксперимента сладки. В итоге изнурительного труда Клане и Сирби вывели основополагающий закон «буль-буля»: время, необходимое для опорожнения бутылки, зависит как от ее собственного диаметра, так и от диаметра горлышка.

Разумеется, этот закон верен только для идеальных бутылок (а не, скажем, для емкостей от «кока-колы» и других замысловатых сосудов). Влияет ли на «буль-буль» форма отверстия (и если да — то в какой степени), науке еще предстоит выяснить.

Clanet Ch., Searby G. (2004). On the Glug-Glug of Ideal Bottles. Journal of Fluid Mechanics 510: 145-68.

Clanet C., Searby G., Villermaux E. (1997). On the Glug-Glug of the Bottle.

American Physical Society, Division of Fluid Dynamics Meeting, 23–25 November, abstract #Df.10.

Davies R. M., Taylor G. (1950). The Mechanics of Large Bubbles Rising Through Liquids and Through Liquids in Tubes. Proceedings of the Royal Society of London, Series A 200 (22 Feb): 375-90.

Двое индийских ученых оперируют зубодробительной математикой, чтобы проанализировать звук «Ом», традиционно распеваемый при медитации. В научных журналах ими были опубликованы уже 6 работ на эту тему. Описываются, например, отдельные акустические особенности звука «Ом», который ученые называют «священным звуком».

У него много вариантов. В работе, напечатанной в International Journal of Computer Science and Network Security, объясняется: «Его можно повторять очень быстро, по нескольку раз в секунду. Или медленнее, по нескольку секунд на один „Ом“. Или даже совсем медленно, с тянущимся „ммммм“, который длится еще дольше, однако по-прежнему пульсирует. Получается примерно так:

ОМммОМммОМмм…

ОМммммОМммммОМмммм…

ОМмммммммОМмммммммОМммммммм…

Технически важный факт: не имеет значения, какую форму звука „Ом“ человек распевает, — в любом случае тот обладает фундаментальной „омовостью“».

Аджай Анил Гурджар и Сиддхарт А. Ладхек написали свою первую статью про «Ом», озаглавленную «Время-частотный анализ распевания санскритского священного звука „Ом“», в 2008 году. Ладхек — руководитель Технолого-инженерного колледжа Сипны в городе Амравати (штат Махараштра, Индия). Гурджар работает в этом колледже старшим преподавателем отделения электроники и телекоммуникаций. Оба специалисты по электронной обработке сигналов. Но теперь их узкая специальность — анализ одного конкретного сигнала, и не простого, а весьма особенного.

В первой работе серии Гурджар и Ладхек объясняют (на случай, если кто-то не знает элементарных вещей): «Ом — духовная мантра, непревзойденная в своей способности приносить мир и спокойствие. Психологический стресс и мирские мысли уходят прочь, когда человек распевает мантру „Ом“».

Никто пока не объяснил биофизические процессы, лежащие в основе «обретения мира и спокойствия». Время-частотный анализ Гурджара и Ладхека — всего лишь первый шаг по этой узкой тропе, ведущей к просветлению.

Математический аппарат, который используется в работе, называют вейвлет-преобразованиями. Их применяют к цифровому файлу со звукозаписью, где некто распевает звук «Ом». Даже неспециалисты могут хотя бы частично оценить красоту иллюстрирующей статью диаграммы, нарисованной синим по белому. «Эта диаграмма, — заявляют авторы, — изображает распевание звука „Ом“ обычным человеком после нескольких дней чтения мантр». Картинка напоминает стопку почти одинаковых, слегка кривобоких дисков, нанизанных на стержень, — причем всю эту конструкцию следует вообразить лежащей на столе горизонтально. Созерцать ее — значит видеть повторение звука «Ом» в чистом виде.

В заключение Гурджар и Ладхек сообщают: «Все, что творится в окружающем мире в наши дни, крадет у нас внимание и собранность. Анализ, проведенный в этой работе, подтверждает, что распеванием звука „Ом“ достигается уравновешенность мыслей, то есть субъект обретает мир и спокойствие в сознании».

Как монахи, которые повторяют свой «Ом» раз за разом, Гурджар и Ладхек воспроизводят те же рассуждения в своих последующих пяти работах, но всякий раз им удается сделать акцент на какой-нибудь новой математико-акустической особенности звука.

Gurjar A. A., Ladhake S. A. (2008). Time-Frequency Analysis of Chanting Sanskrit Divine Sound «OM». International Journal of Computer Science and Network Security 8 (8): 170-75.

— (2009). Spectral Analysis of Sanskrit Divine Sound OM. Information Technology Journal 8: 781-85.

— (2009). Optimal Wavelet Selection For Analyzing Sanskrit Divine Sound «OM». International Journal of Mathematical Sciences and Engineering Applications 3 (2): 225-33.

— (2009). Analysis of Speech Under Stress Before and After OM Chant Using MATLAB 7. International Journal of Emerging Technologies and Applications in Engineering, Technology and Sciences 2 (2): 713-18.

— (2009). Time-Domain Analysis of OM Mantra to Study It’s [sic] Effect on Nervous System. International Journal of Engineering Research and Industrial Applications 2 (3): 233-42.

Gurjar A. A. (2009). Multi-Resolution Analysis of Divine Sound «OM» Using Discrete Wavelet Transform. International Journal of Emerging Technologies and Applications in Engineering, Technology and Sciences 2 (2): 468-72.

Gurjar A. A., et al. (2009). Analysis of Acoustic [sic] of OM Chant to Study It’s [sic] Effect on Nervous System. International Journal of Computer Science and Network Security 9 (1): 363-67.

Норман Э. Гэри — из числа тех редких ученых, которые имеют обыкновение играть на кларнете, будучи при этом покрыты слоем живых пчел. Время от времени он появляется в таком виде перед публикой.

Почетный профессор пчеловодства в Университете Калифорнии в Дэвисе, Гэри также играет в составе джазового диксиленд-ансамбля Beez Kneez Jazz Band. Но номер с пчелами он обычно оставляет про запас для своих сольных выступлений.

Таланты Гэри востребованы даже Голливудом: он уже успел сняться в более чем десяти фильмах. Среди них — «Секретные материалы», «Жареные зеленые помидоры», «Вторжение девушек-пчел» и «Кэндимэн: Прощание с плотью».

В числе научных тем, которые интересуют Гэри, — колебания и волны (музыка — их частный случай). Он помещал пчел в микроволновую печь. Он также детально проанализировал один из малоизвестных звуков, производимых пчелами. Подробности можно найти в работе 1984 года, написанной профессором в соавторстве с его коллегой С. С. Шнейдером и напечатанной в Journal of Apicultural Research. Называется она «Кряканье: звук, издаваемый рабочими медоносными пчелами под воздействием двуокиси углерода».

Гэри охотился на пчел с пылесосом. Благодаря ему бороться с насекомыми стало проще: вместе с коллегой, Кеннетом Лоренценом, Гэри сконструировал первый в мире пчелиный пылесос. Формулировки из их патента звучат как слова песни на мягкую жужжащую музыку: «При работе аппарата в режиме, описанном выше, пчелы с противоположных концов улья — или, возможно, из множества ульев и рамок — удаляются оттуда втягиваемым воздухом и щеткой».

Профессор опубликовал более сотни научных статей, многие из которых посвящены пчелам. В одной из первых, озаглавленной «Судебный прецедент: Аттер против Аттера», он рассматривает судебное разбирательство, имевшее место в 1901 году в городе Гошен, штат Нью-Йорк. Истцом был один брат, ответчиком — другой.

Между братьями возник целый ряд разногласий. К примеру, остро встал вопрос: объедают ли пчелы, которых разводит один брат, персиковые деревья, принадлежащие другому брату? По-видимому, самый увлекательный рассказ об этой тяжбе был напечатан вскоре после суда в пчеловодческом издании Rocky Mountain Bee Journal. Анонимный автор сообщает: «Было истинным наслаждением наблюдать, как истец пытается подражать пчеле, давая показания: покачивает головой туда-сюда, высоко задирает ноги и машет в воздухе руками. Его движения были столь смехотворными и столь противоречащими подлинному поведению и образу действий пчел, что все в зале суда хохотали, и хохотали до слез».

Суд разрешил спор в пользу Аттера-ответчика и отказал Аттеру-истцу. Тем самым возник прецедент, создавший для блуждающих пчел самые благоприятные условия.

Спустя почти 60 лет тот давний суд стал источником вдохновения для юного Нормана Гэри. Впереди были 60 с лишним лет изучения пчел и совместного с ними музыкального творчества.

Schneider S. S., Gary N. E. (1984). «Quacking»: A Sound Produced by Worker Honeybees After Exposure to Carbon Dioxide. Journal of Apicultural Research 23 (1): 25–30.

Gary N. Е., Lorenzen K. (1981). Bee Vacuum Device and Method of Handling Bees. US Patent No. 4,288,880.

Gary N. E. (1959). The Case of Utter vs. Utter. Gleanings in Bee Culture 87 (6): 336-37.

N. A. (1901). Bees in Court: History of the Celebrated Case of Peach Utter versus Bee-Keeper Utter. Rocky Mountain Bee Journal 1 (1): 6.

Дорога из Лондона в Эдинбург отнимала бы куда меньше времени, получи Лондонско-Эдинбургская вакуумно-туннельная компания разрешение осуществить свой захватывающий технический проект. Дело происходило в те далекие времена, когда земля ничего не стоила, а возможным казалось все что угодно. Номер журнала Mechanics Register от 29 января 1825 года описывает замысел подробно: «Предлагается учредить Лондонско-Эдинбургскую вакуумно-туннельную компанию с уставным капиталом в 20 миллионов фунтов стерлингов, поделенным на 200 000 акций по сто фунтов стерлингов каждая, с целью строительства Туннеля, или же Металлической трубы, между Эдинбургом и Лондоном, чтобы между этими городами — а также и другими, через которые туннель будет проходить — могли перемещаться грузы и пассажиры».

План был прост. Два одинаковых туннеля прокладываются бок о бок — один для путешествий в северном направлении, в сторону Эдинбурга, другой для перемещения обратно. Кипятильные установки, расставленные с интервалом в две мили (3,2 километра) на протяжении всего маршрута длиной в 390 миль (628 километров), производят пар, который при помощи хитроумных инженерных приспособлений создает в туннеле вакуум.

В момент отправления перед поездом распахивается дверь туннеля. Из-за перепада давления состав немедленно затягивает в трубу.

Чтобы давление было низким на всем пути следования, позади поезда должны закрываться «очень крепкие и герметичные раздвижные двери на маленьких цилиндрических роликах, которые снижают трение». По трубам перемещаются только тележки с грузом. Пассажиры в трубу никогда не заглядывают — она, при диаметре в четыре фута (1,22 метра), будет для большинства из них слишком тесной. Вместо этого они садятся в традиционные вагоны непосредственно над туннелем. Сильные магниты связывают эти вагоны с тележками внутри него. Когда грузовой состав разгоняется в вакууме, магнитное поле приводит в движение и пассажирский состав наверху: поездка должна быть быстрой и захватывающей. Ускорение настолько велико, что «за первые пять минут в пути поезд преодолевает дистанцию в 480 миль 4448 футов» (773 километра 840 метров).

По сравнению с возможностями обычных железных дорог того времени это был бы заметный шаг вперед. В том же выпуске Mechanics Register сообщается, что «практическая полезность обычных паровых экипажей в деле транспортировки пассажиров может считаться доказанной. Нет поводов сомневаться: весьма скоро грузы тоже можно будет перевозить со скоростью в 7, а то и 8 миль/ч (11–13 км/ч)».

Сообщение Лондонско-Эдинбургской вакуумно-туннельной компании сопровождается коротким примечанием: «Вышеизложенная Игра ума появилась в свежем номере Edin burgh Star. Мы перепечатываем ее здесь только затем, чтобы высмеять скоропалительную идею склонить публику к необдуманному вложению денег».

Как бы там ни было, в течение последующих десятилетий инженеры в Ирландии, Америке и Британии создали не одну и не две пневматические транспортные системы. Ни одна из них не отличалась протяженностью или долговечностью. Изамбард Кингдом Брюнель, создатель первой железнодорожной магистрали в Великобритании (и лондонского вокзала Пэддингтон), построил около 20 миль (32 километров) пневматической железной дороги между Эксетером и Лондоном, прежде чем та была забракована ввиду непрактичности.

N. A. (1825). London and Edinburgh Vacuum Tunnel Company, Capital 90,000 Sterling. Mechanics Register 1 (13): 205-7.

РЕКОМЕНДУЕМ:

Майкл Дж. Гриффин и Р. Э. Хейвард. «Как колебания всего тела в горизонтальной плоскости сказываются на процессе чтения». (Опубликовано в журнале Applied Ergonomics в 1994 году).

В футбол играют во всем мире. Однако всюду есть свои особенности: от города к городу температура, давление воздуха и прочие физические параметры слегка разнятся. Но эти особенности не идут ни в какое сравнение с описанными в работе «Футбол на Марсе» командой исследователей из Лейчестерскрого университета (Англия).

Калум Джеймс Мередит, Дэвид Боулдерстоун и Саймон Клэптон напечатали свой труд в университетском издании Journal of Physics Special Topics. Как следует из названия, здесь отдают предпочтение таким темам, которые редко освещаются на страницах более известных журналов по физике. Журнал издается студентами университета для студентов университета, что несколько удивительно. «Футбол на Марсе» посвящен методичному подсчету изменений, которые вносят реалии соседней планеты в футбол. «Хотя игра и будет узнаваемой, ее все же придется слегка модифицировать», — заявляют авторы.

На поверхности Марса притяжение и давление атмосферы меньше привычных нам. Поэтому меньше и сила трения, тормозящая мяч, когда его пасуют, отбивают или забивают в ворота. Удар той же силы, что и на Земле, пошлет мяч на Марсе вчетверо дальше. Но плюсов без минусов не бывает: «Мяч невозможно закрутить из-за разреженной атмосферы, и игроки лишаются тактически важного приема».

В том же выпуске журнала можно встретить и другие работы Мередита, Боулдерстоуна и Клэптона. К примеру, две статьи посвящены одной из самых острых экологических проблем современности.

В статье «Никто не любит погорячее» авторы предлагают и подробно описывают способ «отодвинуть Землю подальше от Солнца с целью понизить температуру на ее поверхности». А в статье-сиквеле «Никто не любит погорячее-2» всесторонне рассматривают вопрос, «годятся ли для этой задачи современные технологии ракетостроения». И приходят к выводу, что масса топлива, необходимого для воплощения замысла, «всего на несколько порядков меньше собственной массы Земли. Из-за соотношения этих двух величин конкретное число ракет не так уж и важно».

Meredith C. J., Boulderstone D., Clapton S. (2011). Association Football on Mars. Journal of Physics Special Topics 9 (1).

— (2010). None Like It Hot. Journal of Physics Special Topics 9 (1).

— (2010). None Like It Hot II. Journal of Physics Special Topics 9 (1).

Почему бедуины в раскаленных от жары пустынях ходят в черных балахонах? Этот вопрос настолько заинтриговал четверых ученых — среди которых ни одного бедуина, — что они решились на эксперимент. Их работу под заголовком «Почему бедуины в раскаленных от жары пустынях ходят в черных балахонах?» напечатал журнал Nature четверть века назад.

«Судя по всему, — отмечают ученые, — нынешние обитатели Синайского полуострова, бедуины, за долгие годы выработали оптимальную стратегию выживания в пустыне. Однако при первой встрече с бедуином в черной рубахе, который ведет за собой стадо черных коз, многих терзают сомнения — так ли эта стратегия хороша на самом деле. Поэтому мы задались целью выяснить, помогают ли черные рубахи бедуинам оградить себя от пагубного действия солнечных лучей».

Команда исследователей — Чарлз Ричард Тейлор и Вирджиния Финч из Гарвардского университета, а также Амирам Школьник и Арье Борут из Тель-Авивского университета — легко выяснили, что под черными рубахами воздух нагревается сильнее, чем под белыми. Однако у ученых зародилось сомнение — не следует ли копнуть глубже?

Источником вдохновения для них стала статья 1969 года про скотоводство. Джон Хатчинсон и Грэхем Браун из Лаборатории исследования животных имени Иэна Клюниса Росса в Проспекте (штат Новый Южный Уэльс, Австралия) занимались дойными коровами фризской породы. Ученые обнаружили, что тепло и свет проникают в белую шерсть глубже, чем в черную. Для животных это выгодно тем, что даже слабый ветерок мгновенно уносит излишек тепла.

И все-таки коровы не люди. А как обстоят дела у людей?

Тейлор, Финч, Школьник и Борут следили за балансом тепла — сколько калорий приходит и сколько уходит — у самоотверженного добровольца. Ему, сообщают авторы, пришлось нелегко: «В середине дня в пустыне доброволец встает лицом к солнцу. Надевает (1) черную бедуинскую рубаху; (2) похожую рубаху белого цвета; (3) армейскую желто-коричневую униформу и (4) одни шорты (другими словами, раздевается до пояса)».

Каждый из эпизодов (в черной робе, в белой робе, в униформе и топлесс) длился по 30 минут. Эксперимент ставили в пустыне Негев между Мертвым морем и Эйлатским заливом, а это довольно жаркое место. Пока доброволец пекся на солнце, термометр показывал от обычных для летней городской духоты 35 градусов Цельсия до 45 градусов жары — и это уже серьезное испытание для сильных духом. Можно сказать, что подопытный — пусть история и не сохранила его имени — грелся в лучах славы в самом прямом смысле слова.

Результаты были ясными и недвусмысленными. В статье говорится: «И в белой, и в черной рубахе бедуин получает одинаковое количество тепла. А избыток тепла, который накапливает черная рубаха, теряется прежде, чем достигнет кожи».

Ученые отмечают, что бедуины носят свои балахоны на голое тело. Охлаждение происходит за счет конвекции. Часто одежда под порывами ветра выдавливает горячий воздух наружу, как кузнечные мехи. А еще пространство между кожей и тканью ведет себя как каминный дымоход: чем теплее воздух — тем быстрей он уйдет по этому коридору наверх.

Так было убедительно показано научным путем, что люди в черном остывают не хуже, чем люди в одежде любого другого цвета. По крайней мере, если они бедуины.

Shkolnik A. C., Taylor R., et al. (1980). Why Do Bedouins Wear Black Robes in Hot Deserts? Nature 283: 373-75.

Hutchinson J. C. D., Brown G. D. (1969). Penetrance of Cattle Coats by Radiation. Journal of Applied Physiology 26 (4): 454-64.

«Каковы возможности человеческого носа по кондиционированию воздуха?» Озвучьте этот вопрос в следующий раз, когда на вечеринке все вокруг вас окажутся специалистами по климат-контролю. Инженеры этого профиля отлично разбираются в сплит-системах, отоплении и вентиляции, но ничего не знают про чудесные свойства своего собственного носа в качестве кондиционера.

Если ваш вопрос все-таки будет услышан, то неизбежно разыграется безумное действо в двух актах. Сначала каждый инженер измерит у соседа размеры носовой полости, а также температуру и давление пара внутри нее. Потом все наперегонки бросятся рассчитывать и пересчитывать — и так до самого конца вечеринки.

Чтобы спасти положение, расскажите им про статью, озаглавленную «Возможности человеческого носа по кондиционированию воздуха» и опубликованную в журнале Annals of Biomedical Engineering. В статье Сара Нафтали и ее коллеги из Тель-Авивского университета рассказывают, как они, вооружившись тремя искусственными носами, бились над решением сей проблемы.

Ни один из этих искусственных носов любящая мать не пожелала бы увидеть на лице своего ребенка. Первый, хотя ученые и называют его «носоподобным», даже отдаленно не напоминает настоящий. Однако это неказистое заводское изделие имеет внутреннюю систему протоков, которая соответствует «усредненным данным о носовых полостях у людей». Второй искусственный нос носит малопривлекательное имя «носоподобный с клапаном».

Третий — проработанная до деталей механическая копия реального человеческого носа со множеством характерных округлостей и бугров. Этот нос, как и носы живых людей в подавляющем большинстве случаев, сильно отличается от усредненного. Поэтому ученым он был нужен прежде всего для проверки: имеют ли отношение к реальной жизни опыты на «носоподобном носе» и «носоподобном носе с клапаном».

Искусственные сопение и пыхтение раскрыли авторам глаза на два факта. Первое: носоподобные носы достаточно реалистичны, так что больше не нужно ради каждого чиха ставить множество неудобных экспериментов на живых носах живых добровольцев. Второе: основные каналы внутри носа выполняют 90 % работы по кондиционированию воздуха в организме. А именно, поставляют легким воздух надлежащей температуры и влажности вне зависимости от того, насколько холодно и сыро вокруг.

А если вдруг на вечеринке вас познакомят с тем из немногих специалистов по климат-контролю, которые все-таки осведомлены о возможностях носа по кондиционированию, не отчаивайтесь. У вас есть в запасе еще одна отличная возможность оживить беседу. Спросите его: хорошо ли охлаждается голова у голубя?

Многие годы орнитологи спорили о том, как любимые ими существа избегают перегрева. Больше 10 лет назад Роберт Сен-Лорен и Жак Ларошель из Университета Лаваля в Канаде написали в соавторстве работу «Охладительные возможности голубиной головы». Описывается, как ученые внедряли температурные датчики в пищеварительный тракт птиц, закутывали их с ног до головы в термоодеяло и помещали в аэродинамическую трубу. Было установлено: птице достаточно открыть клюв, не издавая не звука, чтобы перегрева не случилось. Осталось проверить, годится ли этот рецепт для участников человеческой вечеринки.

Naftali S., Rosenfeld M., et al. (2005). The Air-Conditioning Capacity of the Human Nose. Annals of Biomedical Engineering 33 (4): 545-53. St. Laurent R., Larochelle J. (1994). The Cooling Power of the Pigeon Head. Journal of Experimental Biology 194: 329-39.

Раньше европейские стиральные машины имели привычку бродить по помещению, а американские ничего такого не делали. Дэниэль Конрад и Вернер Сёдель объяснили, в чем дело, в исследовании «О проблеме вибрационных блужданий стиральных машин-автоматов». Работу Конрада и Сёделя, сотрудников Механико-инженерной школы университета Пердью в городе Уэст-Лафайет (штат Индиана, США), напечатал в 1995 году Journal of Sound and Vibration.

В наше время страх перед бродячими машинами — обычная вещь. Взять хотя бы японский научно-фантастический фильм 1995 года «Механический нарушитель Хакайдер». Кинокритик Джейсон Бьюкенен пишет, что когда главный герой, киборг Хакайдер, выходит из-под контроля, он все разрушает на своем пути, и «никто не может помешать ему снести Джизус-Таун с лица земли».

Со стиральными машинами тех лет случились воистину пугающие вещи. Сюжет детективного триллера 1993 года «Кровавая стирка» закручивается вокруг стиральной машины итальянского производства с расчлененным трупом внутри.

Конрад и Сёдель, не будучи охотниками за сенсациями, ограничились инженерной стороной дела. «Проблема блуждания стиральных машин-автоматов все больше и больше волнует производителей, — пишут они. — В моду входят легкий пластик и композиты. Уменьшение массы, связанное с использованием этих материалов, увеличивает шансы, что машина станет бродить».

Склонность стиральных машин к прогулкам вытекает из дизайнерского решения. Барабан с бельем у устойчивых американских машин вращается вокруг вертикальной оси. А вот у европейских, как правило, ось вращения горизонтальная.

Конрад и Сёдель видят в этом инженерный и коммерческий просчет. Они заявляют: «У машин с горизонтальной осью врожденные проблемы с балансом по причине неправильного дизайна. Из-за разбалансированности в процессе отжима на агрегат могут действовать избыточные силы до 19 килоньютонов».

Через 4 года после выхода статьи «О проблеме вибрационных блужданий стиральных машин-автоматов» двое офицеров из Военной академии США в Вест-Пойнте, штат Нью-Йорк, взяли ее за основу своего собственного исследования «Стиральная машина как базовая модель вибрации для молодых инженеров».

Подполковник Уэйн Уайтмен и полковник Кип Найгрен отмечают, что «практически в каждом общежитии имеется прачечная для студентов. Таким образом, большинство учащихся знакомо с нежелательными вибрациями, которые случаются при отжиме из-за дисбаланса, вызванного неправильно уложенным бельем».

Молодых инженеров неправильные вибрации повергают в трепет. Подчеркивая это, Уайтмен и Найгрен набросали в общих чертах — так, чтобы их читатели пришли в трепет тоже, — схему предотвращения вибрационных блужданий. Если вы относитесь к определенному типу инженеров-лириков, то приведенные ниже термины покажутся вам поэзией, — не исключено даже, что кто-нибудь когда-нибудь положит их на музыку в стиле хип-хоп: «масса всего агрегата», «масса внутреннего корпуса и барабана», «масса разбалансированного белья», «коэффициент трения покоя для пола», «радиус центра масс разбалансированного белья», «скорость отжима», «константа упругости подвесной системы», «демпфирующий коэффициент подвесной системы». Сколько во всем этом поэзии!

Conrad D. C., Soedel W. O. (1995). On the Problem of Oscillatory Walk of Automatic Washing Machines. Journal of Sound and Vibration 188 (3): 301-14.

Whiteman W. E., Nygren K. P. (1999). Basic Vibration Design to Which Young Engineers Can Relate: The Washing Machine. Paper presented at the annual meeting of the American Society for Engineering Education, Charlotte, N.C., 20–23 June, session 3268.

Кто из роботов первым восстанет и пойдет на человека войной? Авторы статьи под названием «Экспериментальный анализ безопасности современных автомобилей» убеждает, что семейная машина — из тех, с кем следует держать ухо востро.

Работа, написанная Карлом Кошером с десятью соавторами из Университета Вашингтона и Университета Калифорнии в Сан-Диего, была представлена в 2010 году на симпозиуме Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) в Беркли (штат Калифорния, США).

В отличие от неразумных драндулетов прошлого, подмечается в статье, «нынешний автомобиль — не просто механический прибор: внутри него — огромное множество компьютеров». И это множество обладает достаточной мощью, чтобы приносить людям как пользу, так и вред. Иногда орды микрочипов тихо и незаметно берут управление на себя, оставляя водителя не у дел. Например, седану класса «люкс» Lexus LS460 по силам параллельная парковка в автономном режиме. Многие автомобили компании General Motors уже скоро, как пишут авторы, будут «интегрированы с Twitter». На горизонте маячат и другие возможности.

Но задачей команды ученых было не нахваливать все хорошее, а выяснить, легко ли автомобилю создать нам проблемы.

Авторы ограничились анализом уже доступных технологий («нас интересуют только уязвимости в автомобилях, которые можно приобрести сегодня»). Невыразительным языком профессионалов — в стиле давайте-не-забывать-что-мы-инженеры — они рассказывают про свой пугающий эксперимент: «Мы продемонстрировали возможность систематического перехвата контроля над разнообразными компонентами автомобиля, как-то: двигателем, тормозами, системой нагрева и охлаждения, фарами, панелью инструментов, радио, замками и так далее. Исходя из этого, мы спланировали серию атак на систему, несущих потенциальную угрозу безопасности людей. Например, мы сумели в принудительном порядке и полностью отключить на ходу тормоза, из-за чего водителю будет трудно остановиться. И наоборот, мы вынудили машину внезапно автоматически затормозить — водителя при этом с силой бросает вперед».

Инженеры с легкостью заставляли машины выделывать и другие опасные фокусы: на полном ходу поливать лобовое стекло нескончаемым потоком стеклоомывателя, распахивать багажник, гудеть без причины. Словом, развлекались как хотели.

Исследование посвящено автомобилям, однако неявно оно намекает: недалек тот день, когда против нас восстанут (или будут подняты на восстание кем-нибудь) даже чайники и тостеры. В 1996 году эксперты по безопасности, большая часть которых работала в корпорации RAND, представили доклад «Информационный терроризм: можете ли вы доверять своему тостеру?» Прежде всего они рекомендуют нанять как можно больше «информационных солдат», но предупреждают, что спецслужбы часто ссорятся, поэтому «информационные террористы» могут причинить наибольший вред тогда, «когда спецслужбы будут разбираться, в чьей компетенции ответить на брошенный вызов». Если же говорить о вещах менее абстрактных, то Остин Хульдсворт из Королевского колледжа искусств в Лондоне уже создал объект, который следовало бы назвать самым опасным и самым быстрым на свете чайником. Хульдсворт так описывает принцип действия своего детища: «Нагревательная спираль нашпигована термитной смесью с температурой воспламенения — 2500 °C» (процесс горения записан на видео: http://vimeo.com/5043742).

Koscher K., Czeskis A., et al. (2010). Experimental Security Analysis of a Modern Automobile. Paper presented at the 2010 IEEE Symposium on Security and Privacy, Berkeley, Calif., 16–19 May, http://www. autosec.org/pubs/cars-oakland2010.pdf.

Инженер Чарлз Сейм — автор проекта моста через Гибралтар. Эта сомнительная мегаконструкция длиной 8 километров должна соединить Испанию и Марокко. Первым шагом к столь рискованному плану было исследование, опубликованное Чарлзом на заре карьеры — «Анализ напряжений в вечернем платье без бретелек».

«Вечернее платье без бретелек чрезвычайно эффектно, — писал Сейм в 1956 году, — но перед инженером-конструктором ставит весьма сложную задачу. Нужно спроектировать платье так, чтобы казалось: оно готово упасть в любой момент. Однако оно не только не должно падать, но и обязано обладать определенным запасом устойчивости».

В работе имеются два чертежа. Первый изображает туловище женщины, одетой в вечернее платье. В общих чертах, пусть и не в подробностях, эта картина знакома всякому, кто брался когда-либо за изучение физики.

В тексте Сейма обсуждается масса деталей. Вот, например: «Если малый фрагмент ткани, из которой сшито вечернее платье без бретелек, рассматривать как свободное и изолированное физическое тело, находящееся на рисунке 1 в плоскости А, то легко видеть, что сила F1, направленная по касательной, компенсируется равной по модулю и противонаправленной силой F2. Направленная вниз по вертикали сила W (вес платья) в свою очередь уравновешивается силой V, направленной вертикально вверх и вызванной натяжением ткани над плоскостью А. Поскольку алгебраическая сумма вертикальных и горизонтальных сил равна нулю, то малый фрагмент ткани находится в равновесии».

На рисунке 2 в деталях изображен бюст, вид сбоку. Сейм приводит этот рисунок с целью проиллюстрировать, с какими непростыми проблемами приходится иметь дело инженерам. Контекст добавляет живости математическим выкладкам и техническим рекомендациям. Вот как, к примеру, Сейм описывает трудности, которые создает верхняя часть женской груди: «Большей степени ее обнажения и, соответственно, большего внимания можно добиться, если верхняя кромка платья сместится от линии a к линии b. К сожалению, предельная нагрузка задается формулой S = F/2A (где A — площадь, на которую действует сила). Поскольку F/2 постоянная величина, с уменьшением площади нагрузка растет. Поэтому предельное обнажение груди возможно тогда, когда площадь зоны между b и c достигает „точки опасности“».

За последние 50 лет инженерная концепция «точки опасности» Чарлза Сейма вдохновила многих на путешествие в тревожный, но прекрасный мир натяжений, деформаций и нагрузок. Так, в 1992 году джазовая певица и арфистка Дебора Хенсон-Конант представила публике оркестровую композицию в 5 актах под названием «Анализ напряжений в вечернем платье». Это произведение Хенсон-Конант исполняет от случая к случаю с разными симфоническими оркестрами. И всякий раз перед выходом на сцену она надевает тщательно сшитое вечернее платье. Певица не сомневается, что оно сумеет на ней удержаться.

Seim Ch. E. (1956) «Stress Analysis of Strapless Evening Gown», The Indicator, November.

Пока другие пытались создать новую модель компьютера, чайника или мышеловки, Джулиан Ф. В. Винсент, Мехмет Нэсип Сахинкая и У. О’Шеа с инженерного факультета Университета Бата решали задачу усовершенствования молотка. Не в пример предшественникам, они решили первым делом основательно изучить дятлов. Почему именно дятлов? Потому, что в картине мира инженера-конструктора дятел — это идеальный молоток, созданный самой природой.

Статью «Дятел как молоток» трое авторов опубликовали в научном журнале с длинным названием Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science.

Начали они с реверанса в сторону удостоенного Игнобелевской премии исследования доктора Ивана Шваба из Школы медицины Университета Калифорнии в Дэвисе. В 2002 году Шваб написал работу о том, почему у дятла не болит голова. Механические свойства птичьей головы поразили Шваба. Мозг птицы не превращается в кашу во время долбления, а глаза не выпадают из орбит — настоящее чудо. Команда из Университета Бата решила смотреть на вещи шире: тело птицы — единое целое, и все в дятле, от хохолка до лап — перья в том числе! — по-разному служит главной его задаче: эффективно долбить дерево.

Рентгеновский снимок дятла, сбитого автомобилем (вверху), схематический чертеж дятла за работой (внизу).

Винсент, Сахинкая и О’Шеа тщательно обследовали зеленого дятла (Picus viridis), сбитого автомобилем и подобранного уже мертвым. Птичьи останки изучили всеми возможными традиционными методами, а также сделали рентгеновский снимок. Целью было установить массу головы и массу тела, а также выяснить, каковы у этого тела пропорции. У ученых имелась также видеозапись, на которой живой и здоровый дятел, похожий размерами на покойного, долбит клювом дерево. Все это вместе взятое позволило оценить силы инерции, действующие на голову и на туловище, упругость шеи, содержание воды в ее тканях, а также упругость тела как целого. Были выведены уравнения, описывающие движения дятла во всех фазах долбления. Чтобы математическая часть задачи не стала неподъемной, авторы решились на несколько огрублений, с инженерной точки зрения вполне оправданных. Допустим, позвонки и шейные сухожилия дятла — это пружина. А дерево — не что иное, как жесткая пружина с демпфером.

В исследовании с гордостью сообщается, какую пользу из него следует извлечь: «Одна из причин изучать дятла — разработка легкого молотка. Было отмечено, что дятел — птица, способная летать, поэтому он должен иметь максимально легкую конструкцию тела. Физический механизм, который создала эволюция для решения проблемы, — перенос импульса с тела на голову дятла — и был использован в дизайне нового молотка, где вращающийся элемент соединен стержнем с кожухом, так что мотор вместе с корпусом колеблется относительно центральной оси».

Винсент, Сахинкая и О’Шеа говорят, что изначально их молоток предназначался для использования в космосе, «где никакой инерции нет до момента, когда инструмент соприкоснется с объектом». Но первым делом, уверены авторы, их изобретение должны взять на вооружение зубные врачи.

Vincent J. F. V., Sahinkaya M. N., O Shea W. (2007). A Woodpecker Hammer. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science 221 (10): 1141-7.

Коты могут красться, а могут падать, — но что бы они ни делали, коты обязаны подчиняться законам физики. Ученые не раз пытались узнать, как же им это удается.

Самые отчаянные головы выясняли, что происходит, если кота бросить с высоты. Кот в падении, кот перед неизбежным столкновением с землей — что, спрашивается, мешает ему разбиться? Одна только кошачья хитрость.

В 1969 году Т. Р. Кейн и М. П. Шер из Стэнфордского университета (США) опубликовали труд «Динамическое объяснение феномена падающей кошки». До сих пор он остается одной из немногих посвященных кошкам работ, опубликованных в Journal of Solids and Structures («Журнал о твердых телах и структурах»). Кейн и Шер объясняют: «Хорошо известно, что падающие коты обычно приземляются на лапы, даже если бросить покоящегося кота вверх тормашками. Были предприняты многочисленные попытки найти какую-нибудь достаточно простую механическую систему, которую законы динамики вынуждали бы повторять характерные движения кота в полете. Настоящая работа — пример такой попытки».

И что это за пример!

Ронять и поднимать котов Кейн и Шер не стали. Вместо этого они построили абстрактную математическую модель кота: два цилиндра (слегка неправильных) соединяются в одной точке таким образом, чтобы вся конструкция гнулась, но не скручивалась — как кошачий позвоночник. Когда на компьютере смоделировали падение этого теоретического кота, движения его напоминали те, что исследователи могли видеть на серии фотографий, запечатлевших падение с крыши настоящего кота. Ученые сделали вывод: их теория «объясняет рассматриваемый феномен».

В 1993 году профессор Ричард Монтгомери из Университета Калифорнии в городе Санта-Круз нанес по старой проблеме новый сокрушительный удар при помощи бронебойного матаппарата современной физики. Его статья «Калибровочная теория падающего кота» занимает целых 26 страниц в серьезном математическом журнале. В финале с неудовольствием отмечается, что «оригинальные решения Кейна и Шера являются одновременно наилучшими и простейшими».

Однако коты редко сваливаются на кого-нибудь. Чаще всего они куда-нибудь крадутся. Крадутся по земле. И крадущиеся коты способны пленить физика ничуть не меньше, чем коты летящие.

Кристина Бишоп из Университета Калифорнии в Дэвисе вместе с Анитой Пай и Дэниэлом Шмидтом из Университета Дьюка в Северной Каролине в 2008 году отправили в научный онлайн-журнал PLoS ONE статью «Крадущийся кот: механика движений всего тела».

Объектом исследования стали шестеро котов, трое из которых «были частично обриты и помечены яркой нетоксичной краской, чтобы облегчить кинематический анализ». Была обнаружена «прежде неизвестная механическая связь» между «согнутыми положениями тела», «изменениями характера постановки лапы» и энергозатратами организма на все эти изгибы и движения лап.

По мнению Бишопа, Пай и Шмидта, котов, намеренных красться, серьезно ограничивают физические законы мироустройства. Им приходится выбирать между «крадущейся походкой», на которую тратится слишком много энергии, и старой доброй энергоэффективной ходьбой.

Kane T. R., Scher M. P. (1969). A Dynamical Explanation of the Falling Cat Phenomenon. International Journal of Solids and Structures 5: 663-70.

Montgomery R. (1993). Gauge Theory of the Falling Cat. Fields Institute Communications 1: 193–218.

Bishop K. L., Pai А. K., Schmitt D. (2008). Whole Body Mechanics of Stealthy Walking in Cats. PLoS One 3 (11): e3808.