Какой громкой бывает отрыжка?

Некоторые технологии и изобретения — часы, печатный станок, телефон — занимают особое место в истории развития человечества, потому что они в корне изменили наш образ жизни. Без них современный мир, который мы знаем и любим, был бы совсем другим.

Но давайте признаемся: больше всего на свете мы восхищаемся теми достижениями, которые позволяют нам носиться по всей планете на сумасшедших, головокружительных скоростях. Автомобили, поезда, корабли и самолеты переносят нас на громадные расстояния, через континенты и океаны. И делают они это с блеском.

Вот почему мы получаем массу вопросов от любителей быстрой езды. Как плывут корабли, летают самолеты и прорываются через атмосферу ракеты? Какие они будут в будущем? Каких размеров достигнут? Чем мы будем их заправлять? Будут ли они самоуправляемыми?

Поэтому сейчас мы отправимся в скоростное путешествие по миру транспортных средств.

Почему большие металлические корабли не тонут?

Корабль держится на плаву потому, что весит меньше того количества воды, которое он выталкивает. А поскольку огромные объемы воды могут весить тысячи тонн, то и вес металлических кораблей может быть таким же большим.

— Погодите, что-то я не врубаюсь. Ведь если бросить в пруд перышко, оно поплывет. Но если бросить монету, она утонет, разве не так?

Так. Но почему она утонет?

— Потому что сделана из металла. А металл тяжелее воды.

А как насчет пустой банки из-под колы? Что если бросить в пруд ее?

— Я не буду этого делать. Я за экологию.

Ладно, тогда в ванну. Просто ради эксперимента.

— Ну… наверное… она поплывет.

Правильно, поплывет. Но банка тоже сделана из металла (в наши дни обычно из алюминия). Так почему банки могут плавать, а монеты нет?

— Потому что монеты тяжелее?

He-а, боюсь, что нет. Вес большинства монет составляет от 4 до 12 г, а средняя алюминиевая банка весит около 14 г. Английский металлический фунт и пустая банка из-под колы весят примерно одинаково (банка чуть тяжелее). А чем еще отличается наша банка от монеты?

— Банка больше. И еще она пустая внутри.

Правильно, наконец кое-что проясняется. Дело не столько в весе, сколько в размерах (или объеме) предмета. Больше двух тысяч лет назад один мозговитый греческий математик по имени Архимед додумался до этого, когда принимал ванну. Говорят, что однажды он залез в наполненную до краев ванну, и вода из нее перелилась на пол. Вместо того чтобы вытереть лужу и выпустить немного воды из ванны, он снова ее наполнил и стал погружать в воду предметы разных размеров, каждый раз собирая выливавшуюся воду.

— Похоже, мужик был с причудами.

Похоже на то. Но в результате этих забавных экспериментов он быстро установил, что количество оказавшейся на полу воды равнялось количеству пространства, занимаемого предметом (в науке это называется объемом), который он опускал в ванну. Каждый предмет выталкивал (или вытеснял) объем воды, равный его собственному объему.

— Тоже мне новость! Чтобы это понять, много ума не надо.

Погодите, сейчас придется немного пошевелить мозгами. В конце концов он пришел к выводу, что если предмет весил меньше, чем количество вытесненной им воды, то он оставался на плаву. Если он весил больше, то тонул. Вот почему фунтовая монета тонет, а пустая банка нет. Обе они весят почти одинаково, но большая пустая банка вытесняет (или расталкивает в стороны) больше воды.

— Ладно… с этим все ясно. Но одно дело банки с монетами и совсем другое круизные лайнеры, танкеры и прочие корабли. Они ОГРОМНЫЕ. Они не могут весить меньше, чем вода, разве не так?

Если они вытесняют достаточно воды, тогда могут. Вес морской воды может быть разным (в зависимости от температуры и других факторов), но в среднем 1 кубический метр ее весит примерно 1 тонну.

Возьмем, к примеру, «Queen Mary II» — один из самых больших в мире круизных лайнеров. Длина его превышает 345 м, а высота составляет 72 м — выше двадцатиэтажного здания. Когда этот огромный стальной корабль находится в открытом море, его корпус расталкивает в стороны примерно 76 тысяч тонн морской воды. А поскольку сам лайнер весит меньше, даже когда на его борту находится почти 4 тысячи человек, он успешно держится на поверхности Атлантического океана, курсируя между Великобританией и США.

— Ну что ж, понятно. А как насчет нефтяных танкеров?

Их широкая плоская форма помогает выталкивать еще больше воды и позволяет перевозить еще больше груза. Самым крупным в мире сейчас является норвежский супертанкер «Knock Nevis». Его длина 458 м, ширина 69 м, а днище корпуса находится на 25 м ниже поверхности воды. Перемножьте эти цифры, и получится, что судно вытесняет примерно 780 тысяч кубометров воды, вес которой составляет около 790 тысяч тонн. С полной загрузкой в 4 миллиона баррелей нефти «Knock Nevis» весит «всего лишь» 650 тысяч тонн. Как видите, и здесь тоже вода весит больше корабля…

— …и он плывет.

Совершенно верно.

— Но значит ли это, что никаких пределов для размеров кораблей не существует?

Тут нужно учесть, что держаться на плаву — это одно, а перемещаться по воде — совсем другое. Не так-то просто привести в движение нефтяной танкер весом в 650 тысяч тонн. Но если использовать достаточно легкие материалы и мощные двигатели, то никаких пределов действительно не будет. Одна компания даже разработала проект «Freedom Ship» — корабля длиной в полтора километра, на борту которого разместится целый город. Плавучий город сможет автономно обеспечивать почти все потребности своих жителей и будет находиться в постоянном движении, накручивая одну кругосветку за другой. Но пока еще он не построен, и многие сомневаются, что это когда-либо случится. Тем не менее, плавучая страна может оказаться как нельзя кстати, если изменение климата приведет к слишком большому повышению уровня моря.

— М-да, но все же я, пожалуй, предпочту остаться дома.

Почему?

— Меня как-то не греет перспектива постоянно тревожиться о том, не откроется ли где-нибудь в днище моей страны небольшая течь.

До каких пор можно увеличивать размер самолета, прежде чем он станет слишком тяжелым, чтобы летать?

Теоретически почти никаких ограничений размеров для самолетов не существует. Однако строительство, полеты и обслуживание самолетов-супергигантов связано с множеством специфических проблем. Поэтому, если мы сделаем самолет слишком большим, он окажется не совсем удобным для воздушных путешествий.

— Так значит все-таки можно строить самолеты-супергиганты намного больше Боинга 747 («Джамбо Джет»), и они будут летать?

Мы уже это делаем, и они летают. Авиакомпания «Singapore Airlines» начала эксплуатировать аэробусы А380 «Суперджамбо» в 2007 году. Длина А380 составляет 73 м, а размах крыльев 80 м. Он способен перевозить до 850 пассажиров — на 50 % больше, чем средний аэробус — и с полной загрузкой весит почти 590 000 кг (590 тонн). Невзирая на это, самолет способен лететь на высоте 13 тысяч метров с крейсерской скоростью около 1 050 км/ч.

— Ничего себе! И что, он самый большой?

Почти. Транспортный самолет Ан-225 «Мрия» еще больше. Его длина около 84 м и размах крыльев 88 м. Самолет был построен для перевозки различных компонентов советских космических ракет. В 1989 году он совершил полет, в котором было установлено сразу 110 мировых рекордов, включая рекорд максимальной взлетной массы — 509 тонн, рекорд скорости полета по замкнутому маршруту длиной 2 000 км с грузом 155 тонн — 815,09 км/ч и рекорд высоты полета с этим грузом — 12 430 м.

— Но как таким тяжеленным махинам удается оторваться от земли, не говоря уже о том, чтобы совершать рекордные полеты? Я знаю, что они это делают, просто все выглядит нереально.

Что вы этим хотите сказать?

— Я хочу сказать, что маленькие самолеты и планеры весят совсем немного и их не очень трудно оторвать от земли. Но как поднять в воздух громадину размером с дом и заставить ее там держаться?

В принципе, с помощью достаточно больших крыльев и мощных двигателей можно поднять в воздух все, что угодно. Даже дом. Правда, домом будет не очень легко управлять в полете, и большинство из них развалятся при попытке это сделать. Однако вовсе не вес и не размеры дома заставляют нас отказаться от этой идеи.

— Тогда что же?

Все дело в аэродинамике. На находящийся в воздухе самолет (или летающий дом, летающий автобус или что угодно) воздействуют четыре силы. Это сила тяжести, подъемная сила, сила тяги и сила сопротивления.

С силой тяжести все просто, она тянет самолет к земле. При прочих равных условиях чем больше масса самолета, тем сильнее его тянет вниз, и тем труднее поднять его в воздух.

— Вот и я о том же! Но как тогда…

…потерпите минутку, мы еще не закончили.

— Ой, извините.

Чтобы преодолеть силу тяжести, нам нужно создать противоположно направленную силу, которую называют подъемной. Эта сила тянет (или точнее толкает) самолет вверх, заставляя его подниматься над землей. С помощью достаточно большой подъемной силы можно поднять в небо даже самые тяжелые летательные аппараты. Для этого можно, например, использовать большой горизонтальный пропеллер или несущий винт — как у вертолетов. При вращении такого винта его расположенные под наклоном лопасти с силой гонят воздух вниз и создают область высокого давления, которое толкает вертолет в противоположном направлении — прямо вверх. Однако в случае с самолетами подъемная сила создается иначе.

— И как это делается?

В общем, двигатели самолета (винтовые или реактивные) гонят воздух назад и как бы проталкивают машину сквозь воздушную среду. Эта сила, заставляющая самолет двигаться вперед, называется тягой. Кроме того, при перемещении самолета в воздухе создается сила сопротивления. Она является результатом трения, возникающего между корпусом машины и воздухом, и тянет самолет назад, замедляя его скорость. Сила тяги должна быть достаточно большой, чтобы при разгоне самолет мог преодолеть силу сопротивления и набрать взлетную скорость, необходимую для отрыва от земли.

— Но почему сила тяги заставляет самолет не просто нестись по земле, а взлетать в небо?

Хороший вопрос. Сама по себе сила тяги не создает подъемную силу. Но зато она заставляет воздух на большой скорости обтекать крылья, которые расположены под углом к направлению движения (он называется углом атаки), чтобы отбрасывать встречный поток вниз и тем самым создавать необходимую самолету подъемную силу, которая толкает его вверх. Изогнутая форма крыла помогает создавать дополнительную подъемную силу, но она не так важна, как размеры крыла или угол атаки. Если тяги хватит, чтобы преодолеть сопротивление, то создаваемая подъемная сила может оказаться достаточно большой, чтобы преодолеть силу тяжести и поднять самолет в воздух. Это понятно?

— Понятно. Но почему нельзя просто приделать к дому крылья и двигатели и летать на нем куда угодно? Тогда, добравшись до места назначения, не нужно было бы платить за гостиницу…

Великолепная идея, и лично я с удовольствием слетал бы в собственном доме на Карибские острова, но, к сожалению, она не очень практична. Большинство домов строятся, чтобы неподвижно стоять в течение многих лет на твердой земле. И хотя поднять их в воздух с помощью достаточно мощных двигателей и крыльев теоретически возможно, необходимая для полета сила тяги, скорее всего, разнесет их на куски. Кроме того, аэродинамическое сопротивление грубой прямоугольной конструкции дома сильно затруднит задачу поддержания скорости и управления полетом. Огромные, тяжелые самолеты, вроде аэробуса А380, справляются с этими проблемами благодаря специальной конструкции корпуса — достаточно прочного, чтобы выдержать силу тяги, и обтекаемой формы, чтобы максимально снизить сопротивление.

— Короче, если придать самолету правильную форму и сделать его достаточно прочным, то вес не будет иметь значения. Тогда почему мы не строим самолетов еще больше и тяжелее тех, что у нас уже есть?

Отчасти потому, что у нас пока нет авиационных двигателей, достаточно мощных, чтобы разогнать до взлетной скорости что-нибудь тяжелее чем «Суперджамбо» или Ан-225. К тому же, чем тяжелее самолет, тем больше должны быть размеры его крыльев, создающих подъемную силу. Это дополнительно увеличивает вес самолета и заставляет использовать для его постройки более прочные (и легкие) материалы. И даже если такой самолет сумеют построить, это не означает, что его можно будет использовать.

— Это еще почему?

Потому что чем тяжелее самолет, тем выше должна быть его взлетная скорость. И хотя мощные двигатели смогут справиться с этой задачей, для разгона все равно потребуется время. В принципе, чем массивнее самолет, тем медленнее он разгоняется, а это означает, что для взлета и посадки ему потребуется очень длинная полоса. В большинстве аэропортов нет взлетно-посадочных полос, длина которых позволяет принимать аэробусы «Суперджамбо», и даже там, где они есть, их приходится удлинять или строить новые. Если самолет обычного типа будет в два или три раза тяжелее, чем А380, ему понадобится такая длинная полоса, что большую часть пути до места назначения он проедет по земле! Вот почему развитие тяжелой авиации, скорее всего, будет связано с самолетами, дирижаблями или ракетами,[18] способными взлетать и садиться вертикально. Но пока нам еще далеко до использования этих летательных аппаратов для повседневных путешествий и грузоперевозок.

— Значит, когда-нибудь небо заполнят высокотехнологичные ракеты и дирижабли? Как в фильмах о будущем?

Может быть.

— Попробую представить. Большим, остроконечным ракетам придется лавировать между громадными неповоротливыми дирижаблями… м-да, выглядит немного рискованно.

Мне тоже так кажется. Тогда выбирайте себе дирижабль. А я, так и быть, соглашусь на ракету.

— Эй, это нечестно!

Почему самолеты не летают между аэропортами по прямым линиям?

Они не могут, потому что для этого пришлось бы лететь сквозь Землю. Однако, с точки зрения самих самолетов, они летят строго по прямой. Просто при переносе на плоскую карту мира линии их маршрутов изгибаются.

— Погодите минутку. Мне казалось, что самолеты могут лететь в любом направлении, каком захотят, разве не так?

Так — если им разрешат.

— И им не нужно следовать всем поворотам дорог или рек и огибать горные вершины или другие препятствия?

Нет, не нужно. Во всяком случае, большим пассажирским самолетам. Они могут пролететь над любой горой на планете. Межконтинентальные перелеты обычно проходят на высоте около 11 тысяч метров. А высота Эвереста — самой высокой горы на планете — всего 8 848 м.

— Видно я чего-то не понимаю. Когда смотришь на карту авиарейсов, то видишь, что линии маршрутов всегда изогнуты. Но если самолеты могут пролетать над чем угодно и если кратчайшее расстояние между двумя точками — это прямая линия, то почему они не летают по прямой?

Потому что для этого нужно, чтобы мир был таким же плоским, как карта. На плоской поверхности все действительно так: кратчайшее расстояние между двумя точками (назовем их А и Б) — это прямая линия. Но если точки А и Б находятся на разных сторонах твердого объекта, который нельзя пройти насквозь, то возникает проблема. Вместо того чтобы направиться прямо через него, придется двигаться в обход, следуя самому короткому пути, проложенному по его поверхности. Вот почему наш кратчайший маршрут полета пролегает над изогнутой поверхностью земного шара, а не проходит сквозь него, как по туннелю.

— А это было бы круто, правда?

Да, действительно. Очень круто.

— Только представьте: нырнул под землю в Америке и вылетел наружу в Китае…

Да, это было бы здорово… но пока мы на такое не способны, нам приходится довольствоваться полетами на обычных самолетах над изгибающейся поверхностью земного шара. Если перенести маршрут такого полета на плоскую карту мира, то линия между пунктами вылета и прилета изогнется вверх или вниз и станет похожа на дугу. Но это происходит лишь потому, что карта является плоской, или двумерной. На сферической, трехмерной карте — такой как глобус — будет видно, что на самом деле самолет летит практически по прямой.

— Но как пилот решает, по какой дуге ему следовать и как далеко отклоняться от прямой?

Хороший вопрос. В наши дни пилоту даже не нужно ничего решать. Все вычисления по прокладке курса выполняет за него навигационный компьютер. Пилоту остается лишь следовать по этому маршруту. Если он отклонится от курса, бортовой компьютер или наземные авиадиспетчеры сразу сообщат ему об этом. Кроме того, в полете используется автопилот, устройство, которое управляет самолетом и удерживает его на курсе автоматически.

— Хорошо, но тогда объясните, как компьютер определяет, по какой дуге нужно лететь?

Самое короткое расстояние между двумя точками на земном шаре всегда проходит по большому кругу — гигантскому кругу, центр которого находится в центре Земли, а окружность огибает весь земной шар. Примером большого круга может служить экватор, который опоясывает Землю по горизонтали. Путь от Северного полюса до Южного и дальше по другой стороне Земли снова до Северного полюса образует другой большой круг (вертикальный). Между этими кругами можно расположить множество других больших кругов, под любыми углами. Чтобы определить кратчайшее расстояние, компьютер проводит через центр Земли такой большой круг, чтобы на его окружности находились оба аэропорта. Дуга (или часть окружности) между аэропортами называется геодезической линией, и маршрут самолета совпадает с этой изогнутой линией.

На обычной карте это выглядит немного странно. Например, прямой путь из Лондона в Сидней на плоской карте пролегает через Францию, Италию, Саудовскую Аравию и, в конце концов, доходит до Австралии с западной стороны. Но геодезический путь, по которому следуют самолеты, изгибается «вверх» и пролегает через Данию, Россию, Китай и Индонезию, приближаясь к Австралии почти с севера.

— Действительно странно. И маршруты самолетов всегда точно совпадают с этими большими кругами?

Не совсем. Большие круги позволяют прокладывать самые короткие из всех возможных маршрутов, но это не значит, что такой путь всегда самый быстрый или безопасный. Иногда приходится обходить запрещенные для полетов зоны в некоторых странах и крупные города. Пилот может также принять решение отклониться дальше на север или на юг, чтобы поймать попутный ветер и быстрее добраться до места назначения. А в непосредственной близости от аэропортов наземные авиадиспетчеры могут приказать пилоту изменить курс, чтобы избежать опасного сближения с другим воздушным судном.[19]

— И поэтому они всегда бесконечно долго кружат перед посадкой? Чтобы не столкнуться с другими самолетами?

Поэтому, и еще для того, чтобы выйти на правильный посадочный курс. Самолет может подлететь к аэропорту с любой стороны, но взлетно-посадочные полосы проходят лишь в нескольких направлениях, и каждый самолет должен лететь по кругу, пока не совместит линию полета с ВПП. После этого он может перейти к плавному снижению, медленно приблизиться к полосе и благополучно совершить посадку.

— Но почему пилоты не могут просто ударить по тормозам, спикировать перед полосой и выровнять самолет в последнюю минуту? Как-то в одном фильме я такое видел…

Некоторые маленькие самолеты могут проделывать подобные трюки, но повторять их на реактивных пассажирских лайнерах слишком опасно. Скорость самолета должна оставаться немного выше минимума, необходимого, чтобы удерживаться в воздухе, а чем больше самолет, тем этот минимум выше.[20] Кроме того, если они станут снижаться слишком быстро, у них могут возникнуть проблемы с контролем скорости снижения. По этой причине большинство пилотов (вполне благоразумно) предпочитают заходить на посадку с достаточного расстояния, постепенно сбрасывая скорость и плавно снижаясь до того момента, когда самолет мягко коснется полосы.

— Короче говоря, самолет взлетает, летит по дуге большого круга, которая на самом деле является прямой линией, а потом кружит вокруг аэропорта, пока не выйдет на посадочную прямую… правильно?

Абсолютно.

— Слава богу, теперь до меня и впрямь дошло.

А может вкривь?

— Тьфу на вас, прекратите!

Прошу прощения.

Если Земля вращается с запаса на восток, то почему полеты на запад проходят не намного быстрее, чем на восток?

Потому что атмосфера Земли и все летящие в ней самолеты тоже вращаются с запада на восток, и это сводит на нет эффект движения планеты. Кроме того, под воздействием попутных и встречных ветров полеты на запад часто проходят медленнее, чем на восток.

— Самолеты тоже вращаются? Но почему тогда всех пассажиров не тошнит?

Суть в том, что на самом деле они не вращаются, а просто перемещаются вместе с вращающейся Землей. И точно также, как вы не чувствуете, что Земля вращается под вашими ногами, вы не замечаете вращения самолета, когда находитесь на его борту, и поэтому вас не тошнит.

— Вы меня запутали.

Ладно, давайте разберемся. Вот сейчас вы сидите, стоите или лежите (в зависимости от того, как вам удобнее всего читать) и никуда не идете, не едете и не летите. Другими словами, вы не двигаетесь. Правильно?

— Правильно.

А вот и неправильно. Если только вы не находитесь прямо на Северном или Южном полюсе (а если так, то прошу прощения), то вы сидите, стоите или лежите на месте, которое уже двигается. Место, которое вы сейчас занимаете, все время вращается вокруг центра Земли, совершая один полный оборот за сутки, потому что планета вращается вокруг своей оси. Если вы располагаетесь где-нибудь в районе экватора, скажем, в Сингапуре или Эквадоре, то за 24 часа такого вращения вы покрываете дистанцию в 40 тысяч километров, двигаясь со скоростью больше 1600 км/ч! Чем дальше вы находитесь к югу или северу от экватора (который является самой толстой частью планеты и поэтому имеет самую большую протяженность), тем меньшее расстояние вам приходится преодолевать, и тем меньше становится ваша скорость. Но факт остается фактом. Даже если вам кажется, что вы сидите неподвижно, в действительности вы несетесь вокруг центра планеты с умопомрачительной скоростью.

— Но почему я этого не ощущаю?

Просто потому, что вы движетесь с постоянной скоростью, и ничто не проносится мимо, чтобы вы смогли осознать, что не стоите на месте. Нечто подобное происходит в движущемся поезде. Пока он не начнет увеличивать или замедлять скорость, вы можете сидеть, стоять или даже ходить по вагону и вообще забыть о том, что куда-то едете. Правда, эффект мгновенно исчезнет, если вы выглянете в окно и увидите, как проносятся мимо деревья и дома, или откроете окно и в купе ворвется поток воздуха.

Если сейчас вы неподвижно стоите на земле, то вас и расположенные вокруг деревья, дома и воздух прижимает к поверхности планеты одна и та же сила — сила тяжести. Вам кажется, будто вы и вся окружающая обстановка неподвижны, хотя в действительности все несется вокруг земной оси — с одной и той же постоянной скоростью. Так проявляется в реальности физический принцип относительности движения. Применительно к данной ситуации вам достаточно знать, что относительным движением называется перемещение тела с некоторой скоростью по отношению к какому-то другому телу, которое служит точкой отсчета. И когда вы стоите на месте, то скорость вашего перемещения относительно планеты под вашими ногами равна нулю, то есть по отношению к Земле вы не двигаетесь и можете преспокойно игнорировать тот факт, что на самом деле вы куда-то несетесь вместе с ней.

— Хорошо, но как применить этот принцип к самолетам и другим летательным аппаратам? Ведь когда на самолете или вертолете мы поднимемся в воздух, то уже не будем находиться на Земле, правильно? И если Земля вращается так быстро, то почему нельзя просто подняться в воздух на вертолете в Европе и повисеть на одном месте несколько часов, пока под нами не окажется Америка?

Прекрасная идея, но боюсь, что ничего не получится.

— Почему?

Если вертолет зависнет на месте (вместо того чтобы полететь на север, юг, восток или запад), то он будет сохранять неподвижность по отношению к расположенной под ним Земле и к атмосфере вокруг него. А поскольку они, как нам известно, движутся с запада на восток с сумасшедшей скоростью, то и вертолет будет делать то же самое. Так что через семь часов он будет по-прежнему висеть над Европой (если к тому времени у него не закончится горючее).

— Да, полный пролет. А как насчет полета в Америку на самолете? Если Америка вращается с запада на восток, а мы полетим с востока на запад, тогда Америка и самолет будут двигаться навстречу друг другу, и добраться туда можно будет намного быстрее, не так ли?

Боюсь, что нет.

— Ну почему опять нет?!

Потому что, когда ваш самолет еще даже не начал разбег, а только выруливал на взлетную полосу, он уже двигался на восток с огромной скоростью, вместе со всей остальной Европой. А теперь предположим, что он взлетел и направился на запад со скоростью 500 км/ч. Эта цифра измеряется относительно европейского аэропорта, откуда он поднялся, американского аэропорта, куда он направляется, и атмосферы над Атлантическим океаном, через которую ему нужно будет пролететь. Но поскольку оба аэропорта тоже перемещаются с запада на восток со скоростью гораздо большей, чем 500 км/ч, то это означает, что самолет, в сущности, тоже движется с запада на восток, только на 500 км/ч медленнее, чем аэропорты и атмосфера!

Если все это звучит как полная белиберда (на мой взгляд, так оно и есть!), то можно принять в расчет только относительное движение и игнорировать тот факт, что самолет, Земля и атмосфера вращаются с запада на восток. Давайте взглянем на ситуацию так: когда самолет стоит на взлетной полосе, его скорость относительно аэропорта равна нулю. После взлета он направится в сторону американского аэропорта с относительной скоростью 500 км/ч. Поскольку скорость измеряется относительно аэропорта, то нам все равно, стоит этот аэропорт на месте или движется на восток. Значение имеет лишь то, что самолет преодолевает расстояние между двумя аэропортами со скоростью 500 км/ч. В итоге получится, что добираться туда ему придется от шести до десяти часов, потому что именно столько времени потребуется, чтобы пролететь это расстояние. Все, конец истории.

— Тогда получается, что полеты на запад и восток занимают одинаковое время?

Не совсем. Время в полете может оказаться разным, но это связано не столько с вращением Земли, сколько с направлением преобладающих ветров. Например, ветра над Атлантикой, между Америкой и Европой, как правило, дуют преимущественно с запада на восток (особенно на больших высотах, где формируются скоростные воздушные потоки, именуемые высотными струйными течениями). Поэтому, когда самолет летит на восток, ветер помогает ему лететь быстрее. Мы называем такой ветер попутным. Когда самолет летит на запад, ветер будет дуть ему в лоб и замедлять его движение. Такой ветер называется встречным. Благодаря встречным и попутным ветрам на многих хорошо освоенных воздушных трассах полеты на восток часто занимают меньше времени, чем в обратном направлении.

— Ну все, пора передохнуть. По ходу, у меня полная каша в голове. Думаю, надо чуток посидеть и все переварить.

Отличная мысль. Но помните, даже когда голова у вас перестанет кружиться, все остальные части вашего тела будут продолжать движение.

— Хорош издеваться.

Прошу прощения.

Почему самолеты не могут подняться в космос?

Потому что самолетам, чтобы летать, требуется давление воздуха, а в космосе с ним напряженка…

— При чем тут давление воздуха? Почему пилот не может просто направить самолет прямо вверх и вылететь в космос. Это было бы здорово.

Да, здорово. Вы могли бы поплавать там в невесомости. Могли бы увидеть всю Землю целиком, как большой голубой шар. Могли бы запускать оттуда спутники и космические станции…

— Вот именно!

… но, к сожалению, обычный самолет никогда не сможет этого сделать. Чтобы летать, самолетам требуется давление воздуха на крылья, а за пределами земной атмосферы воздуха совсем нет.

— Но разве не двигатели заставляют самолет лететь?

И да, и нет. Реактивные или винтовые двигатели создают направленную вперед силу, или тягу,[21] которая толкает самолет, преодолевая сопротивление воздуха. Но что реально поднимает самолет вверх и удерживает в воздухе, так это крылья. С нижней стороны они почти прямые, а с верхней изогнутые. Поэтому молекулам воздуха, которые обтекают крылья сверху, приходится преодолевать большее расстояние до задней кромки крыла, чем молекулам, скользящим по крылу снизу. В результате воздух, движущийся над крылом, становится более «разреженным», и его давление на крыло уменьшается. Разница между высоким давлением снизу и низким сверху создает силу, которая поднимает крылья — и весь самолет — вверх. Однако без воздуха этот принцип не будет работать. Без плотного потока воздуха, обтекающего крылья на большой скорости, не будет подъемной силы, и самолет не сможет больше лететь.

— Но хотя бы до границы с космосом они смогут долететь? До того места, где кончается атмосфера и начинается космос?

Вряд ли, потому что у атмосферы нет четкой границы, просто она становится все более разреженной и постепенно переходит в безвоздушное космическое пространство.

— А подробнее можно?

Ученые выделяют в атмосфере пять слоев на основании таких ее свойств, как высота над землей, температура и так далее. Самый нижний слой называется тропосферой. Он простирается от поверхности земли до высоты 6-18 километров (тоньше на полюсах и толще на экваторе). Это слой, в котором мы живем и в котором летают почти все воздушные суда.

Над ним располагается стратосфера, которая тянется до высоты примерно 50 км над поверхностью планеты. Еще выше находятся мезосфера (до 80 км), термосфера (500 км) и, наконец, экзосфера, которая простирается больше чем на 10 тысяч километров. Космические челноки выходят на орбиту в термосфере. Орбиты искусственных спутников пролегают в экзосфере. Абсолютный рекорд высоты полета самолета составляет 29 400 м. К тому же он был поставлен беспилотным самолетом, который ученые NASA создали специально для полета на высотах, где давление воздуха в сто раз меньше, чем на уровне земли.

(Для справки: в 1976 году SR-71 забрался на 25 929,031 м, а в 1977 году летчик-испытатель А. Федотов установил на МИГ-25 абсолютный мировой рекорд высоты полета — 37 650 м. Что касается 29 км, то это рекорд для винтовых машин, поставленный в 2001 году самолетом «Helios», который работал на солнечной энергии).

— Но если самолеты не могут подниматься так высоко, как это удается ракетам?

В них используются ракетные двигатели, которые работают иначе, чем авиационные, и поэтому движение ракеты не зависит от наличия вокруг нее воздуха. В топливные баки ракеты заправляется твердое или жидкое топливо, а также жидкий кислород, который служит окислителем. Внутри двигателя топливо вступает во взрывную реакцию с окислителем, а образующиеся раскаленные газы с огромной силой вырываются из задней части ракеты через сопло, толкая ракету в противоположном направлении. Когда сопло двигателя направлено назад, ракета движется вперед. На стартовой площадке сопла двигателей направлены вниз, и поэтому ракета поднимается вверх.

— А если поставить ракетные двигатели на самолет, тогда он сможет подняться так высоко?

Да, сможет. И кстати, такое уже было сделано. Совсем недавно были разработаны двухступенчатые космопланы, способные поднимать туристов, желающих совершить космическое путешествие, на высоту 100 км. На первом этапе полета эти летательные аппараты используют стандартные реактивные авиационные двигатели, после чего включают ракетные двигатели на метане, которые поднимают пассажиров на реально большую высоту, после чего в планирующем полете возвращают на Землю.

— Космопланы?! Это полный улет!

Еще какой.

— Даже название улетное. Космоплан.

Согласен.

— И когда я смогу на нем полетать?

Точно сказать трудно. Первые регулярные полеты космопланов планируется открыть к 2012 году, но билет обойдется недешево.

— Сколько?

150 тысяч фунтов. Как минимум.

— Ничего себе…

Так что лучше начинайте копить денежки!

Смогут ли ракеты когда-нибудь заменить самолеты?

Может, да, а может, нет. Самолеты с ракетными двигателями существуют уже почти пятьдесят лет и, возможно, скоро станут возить туристов на границу с космосом. Но как транспорт для воздушных путешествий самолеты все еще дешевле, безопаснее и эффективнее ракет, и пока такое положение сохранится, мы от них не откажемся.

— Что?! Вы хотите сказать, что самолеты с ракетными двигателями существуют уже давно?

Да. Первые самолеты на ракетной тяге появились в Европе в 1940-х и 1950-х годах, во время и после Второй мировой войны. Самый успешный из них — ракетный самолет X-15 ВВС США — в 1960-х годах во время летных испытаний достиг высоты 107 900 м. Что с формальной точки зрения сделало пилота астронавтом.

— Но почему мы их не используем?

В основном по двум причинам: для космических путешествий они не так хороши, как обычные ракеты, а для воздушных не так хороши, как обычные самолеты. Так сказать, ни рыба ни мясо.

— Но все же у них ракетные двигатели. Так в чем проблема? Почему они хуже самолетов, хотя и намного быстрее?

Быстрее — не обязательно значит лучше. На данный момент самым быстрым самолетом в мире является космический орбитальный шаттл, который возвращается в атмосферу на скорости больше 2 800 км/ч. Но на нем нельзя, например, слетать на отдых в Испанию и обратно. Подумайте, почему?

— Потому что такой остался всего один и работает исключительно на NASA?

И поэтому тоже… Всего шаттлов было построено шесть штук, но они используются по очереди. Но предположим, что их станет чуть больше. Столько, что хватит по одному на каждый аэропорт. Какие еще возникнут проблемы?

— Ну… для взлета им будут нужны гигантские стартовые площадки?

Правильно. Шаттл не может взлететь сам, как обычный самолет. Его нужно запускать в космос с помощью ракетных ускорителей, которые сжигают миллионы литров топлива. И это делает их полеты довольно дорогим удовольствием.

— …Кроме того, всегда можно промахнуться мимо Франции и приземлиться где-нибудь в Антарктиде. Правда, можно сделать пару витков вокруг Земли, чтобы прицелиться…

Вот именно. Ракеты хороши, когда нужно что-нибудь вывести на орбиту, но их довольно сложно запускать, да и стоят они намного дороже самолетов. Что до ракетных самолетов, то они не могут нести достаточно много топлива и развить высокую скорость, чтобы выйти на орбиту, и поэтому не годятся для космических путешествий.

С другой стороны, у них есть примерно такие же, как у ракет, проблемы с запуском и затратами, что делает их (во всяком случае на данный момент) менее пригодными для воздушных путешествий по сравнению с самолетами. Например, легендарный ракетный самолет Х-15 приходилось сначала доставлять на самолете-носителе в стратосферу, после чего он запускал двигатель, поскольку не мог взлететь самостоятельно.

— Выходит, нам пока придется летать на больших, толстых реактивных самолетах. Фе! Полный отстой.

Не скажите. Их реактивные двигатели совершенствуются и уже могут потягаться в скорости с ракетными.[22] Рекорд скорости для реактивного самолета составляет около 3 500 км/ч, что всего вдвое меньше рекорда скорости, установленного Х-15 в 1967 году. Кроме того, пассажирские лайнеры становятся все больше[23] и быстрее, а в будущем у них, возможно, появятся двигатели, позволяющие взлетать и садиться вертикально, подобно некоторым сегодняшним военным самолетам. Да и ракетные самолеты тоже еще не сказали последнего слова. Как раз сейчас несколько компаний ударными темпами создают космопланы на ракетной тяге, чтобы совершать коммерческие полеты с туристами к границе с космосом.

— Звучит заманчиво. Расскажите подробнее.

Первый частный космоплан многоразового использования был построен американской аэрокосмической компанией «Scales Composites». Их опытная модель «Spaceship One» поднялась на высоту 111 860 м, превысив рекорд, установленный Х-15. Так же как Х-15, «Spaceship One» запускал двигатель на большой высоте, куда он был доставлен специально созданным самолетом-носителем «White Knight». Получив финансирование от транснациональной корпорации «Virgin Group», эта компания занимается сейчас созданием «Spaceship Two» (в комплекте с «White Knight Two») и строительством космопорта в пустыне Мохаве на юго-западе США.

— Космопорт? Круууууто.

Но этот проект космоплана не единственный. Планируется, что к 2012 году в обычных аэропортах уже будет взлетать и садиться другая машина, построенная европейской компанией EADS. Она представляет собой маленький реактивный самолет с расположенным на фюзеляже ракетным двигателем и баком, наполовину заполненным ракетным топливом. Машина будет взлетать как обычный самолет, подниматься на высоту 12 тысяч метров, затем на короткое время включать ракетный двигатель, чтобы подпрыгнуть до 100 километров. Там пассажиры смогут отстегнуть привязные ремни и поплавать в невесомости около трех минут. Кроме того, они смогут полюбоваться Землей через иллюминаторы, расположенные по всей кабине. Затем пассажиры снова пристегнутся, а самолет вернется в атмосферу и совершит обычную посадку в аэропорту.

— То, что требовалось. Я обязательно полечу.

Вы и еще 15 тысяч человек в год.

— Да, но я буду первым.

И это будет недешево.

— Плевать, все равно полечу.

Что ж, тогда отправляйтесь в космопорт!

— Эй! Вернитесь! Я пошутил.

Если ракеты «сгорают» в атмосфере, то почему этого не происходит с нами?

Потому что, в отличие от ракет, которые сгорают, когда возвращаются в атмосферу, мы уже находимся в ней. Кроме того, мы движемся вместе с атмосферой, и поэтому нас не волнует проблема трения…

— В каком это смысле «мы уже в ней»? Я думал, что ракеты проходят через атмосферу, чтобы вернуться на Землю…

Так и есть. Но они не проходят сквозь нее, чтобы выйти с другой стороны. Атмосфера — это не скорлупа, через которую ракета должна пробиться, а слой газов, находящийся между космосом и поверхностью земли. Можно даже сказать, что там она начинается.[24]

— В каком смысле?

Атмосфера Земли — это просто громадное облако воздуха (состоящего из азота, кислорода и небольших примесей других газов), которое Земля удерживает рядом с собой силой своего притяжения. Мы живем в тоненьком слое у поверхности, где воздух самый плотный. Но по мере удаления от Земли сила ее притяжения слабеет. Поэтому, чем выше (а точнее, чем дальше от поверхности) мы будем подниматься, тем более разреженной (то есть менее плотной) будет становиться атмосфера. Когда космический корабль выводится на орбиту, он покидает атмосферу или, по крайней мере, оказывается так далеко от Земли, что воздуха там почти нет. Проблема возникает, когда приходит время возвращаться на Землю, потому что для этого нужно снова войти в атмосферу. Неправильный вход может привести к тому, что космический корабль сгорит или развалится на части.

— Все равно не въезжаю. Вы говорите, что мы живем в атмосфере и прекрасно себя чувствуем…

Верно.

— …но если ракета попытается войти в нее и сделает это неправильно, то она может взорваться. Тогда почему атмосфера не заставляет взрываться нас?

Потому что атмосфера сама по себе не нагревает и не разрушает космический корабль. Это делают трение и перегрузки, создаваемые кораблем, который на высокой скорости врывается в плотные слои атмосферы и трется о воздух. Иначе говоря, встреча корабля с атмосферой опасна тем, что они движутся с разными скоростями. Но мы уже находимся в атмосфере и движемся вместе с ней с одинаковой скоростью, поэтому между нами не возникает трения. С космическим кораблем все по-другому.

К примеру, космическому шаттлу, чтобы удержаться на орбите, приходится поддерживать скорость около 7,7 км/с, или 2 800 км/ч. Это почти в восемь раз быстрее пули, выпущенной из мощного ружья. Поэтому, когда корабль сходит с орбиты и возвращается в атмосферу, он врезается в нее с чудовищной скоростью и пробивается через плотный воздух, создавая мощнейшее трение, которое и нагревает корабль.

— Но если вся причина в слишком высокой скорости, то почему бы астронавту просто не сбросить скорость, пока он находится в космосе, чтобы потом благополучно вернуться на Землю без трения, нагревания и всего прочего?

К сожалению, для этого нужно иметь больше топлива, чем шаттл способен поднять в космос. Только для вывода на орбиту тратится около миллиона литров топлива, а после того как оно сгорает, твердотопливные ускорители и бак из-под жидкого топлива отстреливаются, чтобы корабль стал легче. Сам шаттл способен нести лишь минимальное количество топлива для возращения домой. Он не может сбросить скорость до уровня, необходимого для безопасного снижения, и вынужден просто развернуться, сжечь небольшой запас топлива и уменьшить скорость лишь настолько, чтобы сойти с орбиты и начать «падать» по направлению к Земле. После вхождения в атмосферу шаттл фактически использует создаваемое им трение для торможения. В результате выделяется тепло, и нижняя поверхность корабля раскаляется докрасна.

— Это показывали по телику. Но почему ракеты начинают плавиться, когда входят в атмосферу?

По правде говоря, плавятся лишь некоторые из них. И это делается специально.

— Что?!

В связи с тем что шаттлы и другие космические корабли используют трение для торможения, они не могут избежать сильного нагрева. Поэтому некоторые корабли, возвращающиеся после полета на Землю (такие есть у русских, китайцев и Европейского космического агентства), покрывают толстым слоем специального материала, который называется теплозащитным (или абляционным) экраном. При вхождении в атмосферу этот материал должен понемногу плавиться. Постепенное расплавление экрана дает кораблю время на то, чтобы снизить скорость до уровня, позволяющего раскрыть парашют. У шаттла же теплозащитный экран состоит из жаропрочных плиток, которые можно заменить при подготовке к последующим полетам.

— И что происходит с ним?

Если все проходит штатно, то шаттл снижает скорость до нескольких сотен километров в час и планирует до места посадки почти как обычный самолет и поэтому выпускает тормозные парашюты сразу после касания земли.

— Наверное, у всех, кто внутри, просто дух захватывает. На что это похоже?

Во время возвращения в атмосферу слышен оглушительный рев бушующего вокруг корабля воздуха, и около тридцати минут вся кабина трясется и болтается под действием огромных перегрузок. Пожалуй, это будет пострашнее самого страшного аттракциона в тематическом парке. Раз в сто.

— Скорее, в миллион!

Между прочим, взлет не слишком отличается от посадки. Шум, огонь, перегрузки… полный комплект удовольствий. В этом заключается одна из причин, по которым астронавтам и космонавтам приходится тренироваться годами, чтобы научиться противостоять психологическому и физическому стрессу.

— Трудно даже представить, что кто-то прошел через все это первым. Этот парень, наверное, был настоящим храбрецом. Или ненормальным…

Возможно, в нем было всего понемногу! Юрий Гагарин, молодой русский космонавт, 12 апреля 1961 года отважился пройти через весь этот кошмар, чтобы стать первым человеком в космосе. Как военному летчику-испытателю, ему регулярно приходилось управлять экспериментальными самолетами на сумасшедших скоростях. Но в процессе подготовки к полету в космос его тренировали на центрифуге, которая создавала огромные перегрузки, и закрывали на двадцать четыре часа в тесном помещении без звука или света, чтобы приучить к тесноте и темноте внутри спускаемой капсулы. Когда его корабль «Восток» стал с ревом подниматься в воздух, он с энтузиазмом взмахнул рукой и сказал: «Поехали!»

— Наверное, я бы сказал что-нибудь больше похожее на «ААААААААААААААЙЙЙ!» Да… Когда первым отправляешься в неизвестность и не знаешь, вернешься ли назад, — это действительно страшно.

Между прочим, прежде чем в космос отправился Гагарин, туда запускали разных «братьев наших меньших» — просто чтобы проверить, сможет ли человек в принципе выжить в этих условиях. Так что первыми земными существами в космосе были мыши, собаки, обезьяны и фруктовые мушки.

— Наверное, это было очень трудно.

Что именно?

— Ну, надевать на фруктовую мушку скафандр и все такое.

Что?!

— Я в том смысле, что шлем для нее должен быть совсем крошечным…

Если обычные автомобильные двигатели загрязняют окружающую среду, то почему мы не используем электрические?

Потому что у электрических двигателей все еще немало недостатков, и если вам нужно будет зарядить аккумулятор энергией из ископаемого топлива, то загрязнения все равно не избежать. И хотя электрические и гибридные двигатели наносят меньший ущерб экологии, сами по себе они не могут успешно решить проблему загрязнения.

— Недостатки? Но ведь у бензиновых двигателей тоже есть недостатки, не так ли?

Конечно, есть. Автомобили, работающие на продуктах переработки нефти, выделяют оксиды азота и другие вредные загрязняющие вещества, которые вступают в реакцию с озоном и солнечным светом, образуя фотохимический смог. Облака смога образуют темные, дурнопахнущие, полупрозрачные слои над перегруженными транспортом городами, вызывая у жителей проблемы со здоровьем. Кроме того, бензиновые двигатели выделяют большое количество двуокиси углерода, которая действует как парниковый газ. Она удерживает тепло и нагревает Землю, чем вносит значительный вклад в процесс глобального потепления.[25]

— Вот и я о том же. У электромобилей есть недостатки, но они не могут причинить столько вреда, не так ли? Нужно только оснастить автомобили аккумуляторами и электродвигателями, и все проблемы будут решены.

В том-то и дело, что не все. Работающие электродвигатели действительно не производят выхлопные газы, что позволяет избежать перечисленных проблем. Но боюсь, что одни лишь аккумуляторы не смогут решить все проблемы.

— Это еще почему?

Прежде всего потому, что автомобили требуют очень много энергии, гораздо больше, чем ваш калькулятор или ноутбук. И если они будут использовать только электричество, то вам потребуются очень мощные аккумуляторы. Но большие, тяжелые аккумуляторы значительно увеличат вес машины, и она не сможет развивать достаточную скорость. Бак бензина содержит намного больше энергии, чем комплект химических аккумуляторов такого же веса. Вот почему у бензиновых автомобилей скорость и дальность пробега намного выше, чем у электрических. Это не только делает электромобили менее мощными, но и означает, что их придется заправлять (заряжать аккумуляторы) намного чаще, чем машины на бензине.

— Ну и что? Просто придется ехать немного медленнее, и эти машины будут не такими мощными. Подумаешь, какие мелочи.

Во-вторых, существует проблема с заправкой. Аккумуляторы нельзя подзаряжать на ходу. Их придется отнести домой и воткнуть в розетку. Для перезарядки всего комплекта может потребоваться несколько часов.

— Значит, надо не забывать ставить их на зарядку на всю ночь. Всего делов-то. Зато никаких выхлопных газов! Никакого глобального потепления!

Насчет выхлопных газов это правда, спору нет. Но аккумуляторы не помогут обойти проблему глобального потепления.

— Но почему?

Подумайте сами, откуда берется энергия для их подзарядки?

— Производится на электростанциях.

Верно. Но им, чтобы произвести электричество, нужно сначала сжечь уголь, газ или нефть. И получается, что в автомобиле вы не сжигаете ископаемое топливо лишь потому, что его уже сожгли для вас где-то в другом месте.

— Но ведь есть и атомные электростанции?

Они не сжигают ископаемое топливо, но зато создают проблему с вредными ядерными отходами. Другими словами, они лучше, но ненамного. И останутся такими до тех пор, пока мы не найдем способ безопасного избавления от ядерных отходов.

— А как насчет силы ветра или солнечной энергии?

Наконец-то у вас появилась толковая мысль. Такое решение было бы идеальным, но на сегодняшний день из возобновляемых источников, таких как ветер, солнце и вода, мы получаем меньше 6 % от общего количества энергии. Пока такое положение не изменится, мы будем вынуждены жечь ископаемое топливо для получения электричества, и электрические автомобили не станут реально лучше бензиновых. А это значит, что их вряд ли станут покупать даже борцы за чистоту окружающей среды.

Некоторым странам, например Исландии, посчастливилось иметь прямо под ногами громадные ресурсы возобновляемой энергии. Исландия получает из возобновляемых источников больше 99 % энергии, и ее правительство планирует использовать их для производства водородного топлива для транспортных средств. Благодаря этому Исландия может стать первой в мире страной, где все легковые машины, автобусы, пароходы и поезда будут работать на энергии из возобновляемых источников. Однако в большинстве стран бензиновые автомобили просуществуют еще достаточно долго. Во всяком случае до тех пор, пока не начнут истощаться залежи ископаемого топлива. Когда это случится, волей-неволей всем придется искать способы как-то иначе приводить в движение свои машины.

— А до тех пор бензиновые автомобили будут по-прежнему загрязнять окружающую среду?

Да. К сожалению.

— А можем ли мы как-нибудь поправить положение уже сегодня?

Конечно. И хотя мы не можем (или не хотим) немедленно перейти на чисто электрические автомобили, уже существует промежуточный вариант, позволяющий сократить объемы выхлопных газов, используя меньше бензина. Гибридный автомобиль.

— Гибридный автомобиль? Звучит круто. Это как в мультфильме про трансформеров — две машины инопланетян сливаются в одну, сверхмощную…

Ничего похожего. Просто у такого автомобиля два двигателя: бензиновый и электрический. Он может использовать оба, чтобы крутить колеса и заодно преобразовывать движение в энергию, чтобы подзаряжать аккумуляторы. Это означает, что по техническим характеристикам он не уступает бензиновому автомобилю, но сжигает меньше топлива, производит меньше вредных выбросов и наносит меньше ущерба окружающей среде.

— Во-во. Я об этом слышал.

Но все же гибридные автомобили используют бензин, и поэтому их нельзя считать окончательным решением проблемы. Однако они могут послужить важной вехой на пути к созданию еще менее вредных бензиновых автомобилей и помочь нам продержаться, пока мы не сможем навсегда отказаться от ископаемых видов топлива.

— А купить его может каждый?

Да, если у вас есть водительские права и деньги. На рынке уже много гибридных автомобилей, и их популярность все время растет. Но если вы хотите стать настоящим другом окружающей среды, то вам лучше купить что-нибудь другое.

— Например?

Новый велосипед. Никакого бензина, никаких выбросов и не нужно заботиться о подзарядке. Только вы, ваши ноги и свободная дорога. Во всяком случае, отдельная полоса для велосипедистов.

Смогут ли когда-нибудь автомобили управлять собой?

Некоторые уже могут! Во многих автомобилях используются продвинутые технологии управления, позволяющие избегать столкновения с препятствиями и другими машинами. Очень скоро появится новое поколение самоуправляемых автомобилей.

— Машины уже управляют сами собой? Как? Где?

Опытные образцы роботомобилей, созданные в Японии, Германии и США, уже накатали самостоятельно сотни километров, используя радар и специальные дорожные сенсоры для безопасного маневрирования (даже в условиях интенсивного движения транспорта). Более продвинутые самоуправляемые автомобили разрабатываются в Великобритании, чтобы перевозить пассажиров в лондонском аэропорту Хитроу и зрителей на Олимпийских играх 2012 года. В некоторых из них используются новейшие лазерные сенсоры и технологии искусственного интеллекта для распознавания и объезда препятствий. С 2004 года в Америке проводятся финансируемые военными соревнования самоуправляемых автомобилей — DARPA Grand Challenge (гонки «Большого Вызова»). Гонки этих беспилотных роботомобилей, построенных университетскими командами энтузиастов, проводятся на трассах для внедорожников, и победители приносят своим создателям солидные денежные призы.

— Класс! Значит, можно просто залезть на заднее сиденье, расслабиться и приказать машине отвезти тебя, куда ты захочешь?

Не совсем так, но почти. В основном эти самоуправляемые (или автономные) автомобили являются экспериментальными моделями или опытными образцами. И многим из них время от времени все же требуется вмешательство водителя. И хотя в гонках «Большого Вызова» участвовали полностью автономные машины, технология их массового производства все еще находится в стадии разработки. К тому же автомашины без водителей пока еще не готовы дружно выехать на оживленные магистрали.

— А что еще этому мешает?

Дело в том, что достаточно безопасными для использования всеми желающими они будут признаны лишь тогда, когда инженеры и производители машин докажут, что полностью автономный автомобиль способен обеспечить пассажирам, по меньшей мере, такую же безопасность, как живой водитель. А сделать это будет ох как нелегко.

— В том смысле, что машина не должна въехать кому-нибудь в зад или заблудиться?

Вообще-то это самая легкая часть задачи. Сегодня во многих обычных машинах есть навигационные компьютеры, в которых используется глобальная система определения местоположения GPS, позволяющая прокладывать маршруты на дорожной сети. А у многих других есть автомат постоянной скорости, который позволяет водителю не касаться педалей газа и тормоза, чтобы поддерживать заданную скорость. Некоторые машины снабжены даже адаптивными автоматами скорости, которые с помощью радара распознают на дороге движущиеся машины и автоматически изменяют скорость, чтобы сохранять безопасную дистанцию. Так что если сложить все это вместе, то получится автомобиль, который знает, куда ехать, и может самостоятельно увеличивать или снижать скорость без вмешательства человека.

— А как она будет крутить баранку? Откуда такая машина узнает, как нужно ехать по извилистой дороге, чтобы не вылететь в кювет?

Многие современные автомобили оснащены электронным усилителем руля, благодаря которому водителю достаточно лишь чуть-чуть тронуть рулевое колесо, прежде чем он сам повернет его настолько, насколько нужно. А в некоторых машинах есть активная система контроля пересечения линии дорожной разметки, которая автоматически удерживает автомобиль на дороге и нужной полосе.

— Офонареть! И как она работает?

Система использует специальные камеры и сенсоры для слежения за бровкой проезжей части и линиями дорожной разметки. Когда автомобиль отклоняется влево или вправо, датчики это замечают, потому что бровка и линии разметки сдвигаются в противоположную сторону. И тогда они используют электродвигатели усилителя рулевого привода, чтобы плавно повернуть рулевое колесо в другую сторону и удержать машину на полосе и на дороге. Пока что эта система «подталкивания руля» просто не позволяет водителю случайно съехать с полосы. Но отсюда совсем недалеко до того дня, когда машины научатся сами менять полосы движения и поворачивать на перекрестках.

— Значит, если сложить все это вместе…

…то мы, в принципе, получим автомобиль, способный успешно прокладывать маршрут, маневрировать на дорогах и прибавлять газ или снижать скорость, чтобы сохранять безопасную дистанцию между собой и другими машинами. И некоторые автопроизводители уже начинают внедрять эти технологии. Компания «General Motors» выпускает автомобили, оснащенные системой «TrafficAssist», в которой используются лазеры, сенсоры и компьютеры для распознавания дорожных знаков, разметок, поворотов и движущихся машин. Такие модели способны действовать самостоятельно на скоростях до 100 км/ч в условиях любой интенсивности движения, избавляя водителей почти от всех забот на дороге.

— Класс! То, что нужно. А что еще может потребоваться самоуправляемым автомобилям?

Даже при всех этих способностях и функциях автоматики вы вряд ли сможете, сидя на водительском сиденье, отвернуться от дороги и болтать с друзьями, в то время как машина будет сама управлять своим движением. Система «TrafficAssist» предназначена для того, чтобы сделать процесс управления менее напряженным и утомительным, а не для того, чтобы полностью заменить водителя. Кроме того, все еще неясно, насколько хорошо она будет реагировать на опасные ситуации. Человек способен видеть, что делается на дороге далеко впереди, и предвосхищать проблемы, используя творческое мышление и воображение. Если, например, вы заметите на дороге грузовик, виляющий из стороны в сторону, то поймете, что его водитель засыпает за рулем, и станете обгонять его с большей осторожностью, чтобы он в вас не врезался. Компьютерным автопилотам такое пока не под силу. Они просто реагируют на то, что происходит вокруг них в данный момент. И к тому времени, как лазеры и сенсоры заметят вильнувший в вашу сторону грузовик, уворачиваться от него уже будет слишком поздно.

— Жуткое дело! Вы реально нагнали на меня страху.

Учитывая сказанное, следует отметить, что люди, как водители, тоже несовершенны. То, что мы умеем думать наперед и принимать взвешенные решения лучше, чем компьютерные системы, вовсе не означает, что мы всегда это делаем. Людям свойственно в каждый конкретный момент концентрировать внимание на одном участке дороги и игнорировать то, что происходит в остальных местах. Нас может отвлечь болтовня пассажиров, необходимость сменить компакт-диск в проигрывателе или звонок мобильного телефона. Поэтому, когда лет через десять на дорогах в массовом порядке появятся самоуправляемые автомобили, нам придется спросить себя: кто подвергается большей опасности попасть в ДТП, я или компьютер?

— В таком случае я даже не знаю, смогу ли вообще доверить руль компьютеру.

Почему?

— Мой идиотский комп все время зависает!

Будем ли мы когда-нибудь ездить в летающих поездах или автобусах?

Летающие поезда уже есть! Китайцы используют один такой с 2002 года, и на подходе еще несколько поездов, скользящих по воздуху. Но что касается летающих автобусов, то их, пожалуй, придется еще немного подождать…

— Вы серьезно? Настоящие летающие поезда? Которые реально плывут по воздуху?

Да. Они существуют уже несколько десятков лет. Их называют поездами на магнитной подвеске (сокращенно маглев или Maglev; от английского magnetic levitation — магнитная левитация).

— Чудесно! И как они ездят?

С помощью специальных переключаемых, или переменных магнитов, которые поднимают поезд над колеей (обычно однорельсовой), разгоняют и тормозят. Один комплект магнитов установлен на рельсе, а другой прикреплен к самому поезду. Когда магниты активируются последовательно, это не только заставляет поезд подняться на один или два сантиметра над рельсом, но и толкает его вперед или тянет назад вдоль рельса. В результате поезду не нужны колеса (хотя до появления электромагнитной подвески в некоторых поездах колеса использовались для движения на малой скорости). Отсутствие колес и контакта с рельсом означает, что никакие детали поезда не соприкасаются с рельсом, и поэтому трение не замедляет его скорость. Вот почему поезда маглев способны разгоняться до невероятных скоростей, а движение у них настолько плавное, что его трудно почувствовать.

— Но разве магниты не притягивают поезд к рельсу?

Нет, если они расположены и активируются таким образом, чтобы отталкивать друг друга. Вам когда-нибудь доводилось играть с парой магнитов в форме подковы, которые в школах служат пособиями по физике? Если да, то вы знаете, что концы, или полюса, магнита могут либо притягивать, либо отталкивать полюса другого магнита, в зависимости от того, как их приблизить друг к другу. Дело в том, что у каждого магнита есть и положительный и отрицательный полюс (или, если хотите, северный и южный). Попробуйте соединить вместе два одинаковых полюса (например, два «северных» или два «южных»), и они станут отталкивать друг друга. Но если сблизить разные полюса (один «северный» и один «южный»), то они притянутся. Именно это магнитное притяжение и отталкивание используется в поездах маглев для левитации и движения. Сила отталкивания между комплектами магнитов на рельсе и на днище вагонов отрывает поезд от поверхности рельса. В зависимости от конструкции могут использоваться еще два комплекта магнитов, которые удерживают поезд в равновесии и не позволяют ему высоко взлететь.

— Но если все так просто, то почему мы давным-давно не установили магниты на поездах?

Потому что в реальности все не так просто. Прежде всего в поездах маглев не используются постоянные магниты, типа только что описанных нами подков, а точнее, используются не только постоянные магниты. Если разместить их вдоль рельса и под днищем поезда, то рельс оттолкнет поезд и заставит его висеть в воздухе. Чтобы привести поезд в движение, его что-то должно толкать или тянуть, например двигатель и колеса. А это вроде как доводит саму идею до абсурда.

— Так что же тогда используют летающие поезда?

Они используют сверхпроводящие магниты. Простейший электромагнит — это намотанный вокруг металлического или керамического сердечника электрический провод, который при пропускании тока образует переключаемое, переменное магнитное поле. (Следует отметить, что все провода и кабели, по которым проходит электрический ток, окружены магнитными полями, поэтому намотка на сердечник просто концентрирует поле и усиливает магнитный эффект). Такие магниты действуют только тогда, когда через них пропускается электрический ток, и поэтому можно включать и выключать его магнитное поле, включая и выключая ток. Можно также изменить направление тока и поменять местами полюса магнита. Следовательно, с помощью электромагнитов можно притягивать, отталкивать, поднимать вверх, тянуть или толкать другие магниты. В поездах маглев используются мощные электромагниты, в которых применяются сверхпроводящие материалы. Они создают сильное магнитное поле, но весят намного меньше обычных электромагнитов, то есть идеально подходят для того, чтобы поднимать многотонные вагоны с пассажирами и перемещать их с огромной скоростью.

— Но что заставляет поезд двигаться?

Это зависит от типа системы электромагнитной подвески. В одной постоянные магниты располагаются в рельсе, а электромагниты — под поездом. В другой все наоборот, постоянные магниты находятся под днищем поезда, а электромагниты — в рельсе. Но в обоих случаях электромагниты управляются компьютерной системой, которая последовательно включает их и выключает, чтобы создавать волны магнитных полей по пути движения поезда. Переменные магниты тянут поезд (используя магнитное притяжение) и толкают его (используя отталкивание) одновременно. Это позволяет очень быстро разогнать состав. Чтобы замедлить скорость, делается то же самое, только наоборот. Пассажиры поезда ничего этого, разумеется, не замечают. Все происходит так плавно и бесшумно, что ускорение почти не ощущается. И человек не успевает даже заметить, как поезд уже летит со скоростью 480 км/ч.[26]

— Великолепно! И где я могу на таком прокатиться?

На сегодняшний день регулярное движение таких поездов осуществляется только в Китае и Японии. Маглев-трасса в Шанхае, построенная немецкой компанией «Transrapid», работает с 2002 года и перевозит пассажиров от аэропорта до города. Расстояние в 30 км поезд пролетает всего за семь минут с небольшим. Компания «Japan Railways» в настоящее время владеет самым быстрым в мире поездом маглев, который курсирует по экспериментальной 44-километровой линии в префектуре Яманаси, недалеко от знаменитой горы Фудзи. Кроме того, японские железные дороги планируют построить постоянную маглев-трассу между Токио и Осакой, что позволит преодолевать расстояние в 480 км примерно за час. В Европе и США пока нет постоянных маглев-дорог, но в ближайшие десять лет их может появиться довольно много. Компания «SuissMetro» планирует пустить поезда на магнитной подвеске по 100-километровому туннелю, чтобы связать Женеву в Швейцарии с Лионом во Франции. А в Соединенных Штатах планируется проложить маглев-линию между Анахаймом в Калифорнии и Лас-Вегасом в Неваде. Средняя скорость на этой дороге составит около 500 км/ч.

— Надо полагать, что за всеми этими летучими поездами вскоре последуют и летающие автобусы?

К сожалению, их появления нам придется дожидаться немного дольше.

— Это еще почему?

Потому что, в отличие от поездов, автобусы едут по дорогам, а не по рельсам. Им нужно свободно выполнять повороты, менять маршруты и выбирать различные пути между пунктами А и Б. К тому же летающим маглев-автобусам потребуются магнитные дороги и сложные системы контроля за безопасностью движения. Но даже если бы мы смогли справиться с техническими вопросами (что на данный момент просто нереально), затея оказалась бы непозволительно дорогой для бюджета любого города.

— Жалко. Выходит, что и летающих легковушек не будет, да?

Боюсь, что нет. Во всяком случае, с системой магнитной левитации. Однако уже создаются легковые автомобили на воздушной подушке с авиационными реактивными или винтовыми двигателями, так что на рынке сначала, наверное, появятся они. Кстати, некоторые организации (включая NASA) пытаются построить антигравитационные установки, которые должны будут поднимать в воздух транспортные средства, «избавляя их от силы тяжести» вместо того, чтобы преодолевать ее с помощью магнетизма.

— Антигравитация? Неужели это возможно?!

Ну, пока еще никаких успехов нет, и многие физики считают, что ничего из этого не выйдет. Но все же некоторые энтузиасты по-прежнему не теряют оптимизма.

— Подумать только! Вот было бы здорово, правда? Вы мне сообщите, если у них что-то получится?

Конечно. Без проблем. Я прилечу к вам домой на своем новеньком антигравитационном автомобиле и все расскажу.