Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Когда великий сиракузский геометр и изобретатель Архимед открыл закон рычага, он восторженно воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир». Великое открытие сегодня кажется весьма скромным, однако оно явилось первой точно выполненной и научно обоснованной формулировкой знаменитого «золотого правила» механики. Благодаря открытию закона рычага физика продвинулась значительно вперед.

«Золотое правило» механики

Автор замечательной сказки «Алиса в стране чудес» Л. Кэрролл не был писателем в полном смысле этого слова, а занимался тем, что преподавал математику в Оксфорде. Однажды он предложил своим студентам задачу, которая получила впоследствии название «обезьяньей». Почти все студенты дали самые разные, однако, неправильные ответы на нее. По условию задачи, через колесо блока перекинута веревка. На одной ее части висит обезьяна, другая часть уравновешена гирей. Требуется определить, куда сдвинется груз (и сдвинется ли вообще), если обезьяна поползет по веревке вверх.

Правильным ответом будет утверждение, что гиря тоже начнет подниматься. Ведь веревка под лапами обезьяны сдвигается вниз, а следовательно, груз увлекается наверх. А на первый взгляд может показаться, будто гиря опускается вниз. Конечно, нетрудно сделать так, чтобы обезьяна поднималась вверх, а гиря при этом опускалась. Для этого самой обезьяне вообще не требуется двигаться. Вполне достаточно утяжелить гирю и нарушить тем самым равновесие на блоке. Тяжелая гиря потянет вниз, а обезьяна станет подниматься. Блок является т. н. простым механизмом (простой машиной). Конечно, для физики это крайне простое, если не сказать примитивное, устройство. Но в действительности он не так уж и прост. Существуют разновидности блоков — подвижный и неподвижный, а также системы блоков, полиспаст, наклонная плоскость, винт, клин, рычаг.

Важнейшим свойством этих простых механизмов является их способность восстанавливать и поддерживать равновесие тел за счет приложенных сил. Поскольку равновесие означает баланс сил, то назначение простых машин заключается в изменении направления или величины затрачиваемых сил при сохранении постоянной работы.

Чтобы познакомиться с возможностями простых машин, рассмотрим две нехитрые системы неподвижных блоков. Представим себе, что человек пытается с помощью системы из двух блоков — неподвижного и подвесного — поддержать себя и подвесную платформу, т. е. уравновесить собственный вес и вес платформы посредством мускульной силы. При этом подвесной блок, на который воздействует мускулатурой человек, связан с канатом, перекинутым через неподвижный блок. Возможно ли это?

В принципе такое явление вполне допустимо. В системе взаимодействуют несколько сил — вес человека, вес платформы, а также силы натяжения отрезков каната. Представим, что система уже находится в равновесии, и выясним условия такого состояния. Отрезки каната, перекинутого через подвесной блок, натянуты с одинаковой силой, поскольку являются продолжением одного каната. То же самое можно сказать и про концы каната, перекинутого через неподвижный блок.

С каждого блока спускается по отрезку от каждого из канатов, подсоединенному к платформе. На эти два отрезка действуют ее вес и вес человека, которые мы буквенно обозначим P и P’. Так как в системе установлен баланс сил, то сумма весов P и P’ уравновешена силами натяжения. Примем за F силу натяжения, приходящуюся на скрепленный с платформой отрезок, относящийся к подвесному блоку. Тогда эта сила равняется мускульной силе человека. А сила натяжения в закрепленном отрезке неподвижного блока будет численно равна сумме двух этих сил, т. е. 2F. Таким образом, результирующая сила натяжения равна 3F.

Сила человека была утроена системой блоков! Если система пребывает в равновесии, то суммы противонаправленных сил количественно равны. Сложив вес человека и платформы, мы получим величину, равную учетверенной силе человека. Запишем это в виде уравнения:

где P’ — вес человека, а P — вес человека, а P — вес платформы. Физически крепкий мужчина способен удержать вес, равный собственному:

Если справедливо предположить, что все усилия нашего воображаемого человека на платформе идут на удержание собственного веса, то получается, что ее вес равняется удвоенной силе человека:

Итак, чтобы человек удержал платформу в равновесии посредством описанной системы блоков, вес платформы не должен превышать мускульную силу человека более чем в 2 раза. Если же вес платформы много меньше мускульной силы человека или, по крайней мере, равен ей, значит, человек может применить неполную силу для поддержания равновесия. Как видно, блок не так уж прост.

Обращает на себя внимание вертикальное натяжение канатов, которое максимально. Натянуть же с помощью двух неподвижных блоков веревку в горизонтальном положении столь успешно нельзя, т. к. она все равно будет немного провисать. А причиной тому является баланс сил в системе блоков. Провисание вызывает сила тяжести, направленная вертикально. Поэтому никакая приложенная к горизонтали сила на веревку не подействует и силу тяжести не скомпенсирует.

Как видно, описанные выше системы меняют направление сил или меняют их величины. Принципы действия простых машин легко объяснить на наиболее типичных устройствах — неподвижном и подвижном блоках. У неподвижного блока силы приложены к двум точкам, которые лежат на равных расстояниях от центра, служащего точкой опоры. Данные силы всегда количественно равны друг другу, т. к. взаимно уравновешиваются. Однако направление их действия неодинаково. То есть неподвижный блок меняет направление силы, в этом заключается выигрыш.

Теперь рассмотрим подвижный блок. У него точка опоры лежит на краю колеса, на середину его приходится нагрузка, а на другой край — противодействующая сила. Все три точки — опоры и приложения сил — лежат на одной прямой, совпадающей с диаметральной хордой окружности колеса блока. Нетрудно убедиться, что неподвижный блок меняет величину приложенной силы. Расстояние от точки опоры до точки приложения сил неодинаково, и мускульная сила приложена к точке, что находится на расстоянии 2r.

Силы сравниваются при помощи геометрии. Для этой цели восстанавливаются векторы сил, и по ним строятся фигуры. Здесь геометрических построений приводиться не будет, интересующиеся этим могут выполнить необходимые расчеты самостоятельно. Сейчас же приводится окончательный результат таких сравнений. Силы соотносятся между собой так же, как соотносятся расстояния точек их приложения от точки опоры. Если поделить величину противодействующей нагрузки на величину мускульной силы, то получится тот же результат, что при делении 2r на r. Иными словами, мускульная сила уравновешивает на подвижном блоке вдвое превышающую ее нагрузку. Получается выигрыш в силе.

Следует ли считать эти выигрыши, которые дают простые машины, выигрышами в работе? Вовсе нет, и вот почему. Работа прямо пропорциональна силе, приложенной к телу, и расстоянию, которое тело преодолело под действием данной силы. Выигрыш в работе означает увеличение работы при постоянной силе или неизменном пути. Посмотрим, реально ли это. Если записать соотношение данных трех величин в виде физической формулы, то получится выражение

где A обозначает работу, F — силу, а s — путь (расстояние).

Любое увеличение силы означает сокращение пути. Любое сокращение пути приводит к увеличению силы. То есть реален выигрыш в силе или в расстоянии. Но количество работы остается неизменным. Выполнить большую работу за счет неизменных силы и расстояния нельзя. Чтобы работа увеличилась, одну из величин в правой части формулы или сразу обе также необходимо увеличить. Но если мы увеличиваем силу, то не должны делать этого за счет расстояния. А если увеличиваем расстояние, то не за счет сокращения силы.

Иными словами, для выполнения большей работы требуется затратить больше энергии, а выдумывать «экономичный» механизм бесполезно. В этом и состоит «золотое правило» механики, которое утверждает: когда выигрывается в силе, то проигрывается в перемещении, и наоборот. Это правило лежит в основе закона сохранения энергии, который доказывает, что невозможно получить выигрыш в работе без дополнительных затрат энергии. При постоянных затратах X нужно либо уменьшить расстояние, тогда получится применить наибольшую силу, либо уменьшить силу, тогда тело можно будет переместить на большее расстояние.

Изобретение рычага

Неизвестно, с какими бы трудностями столкнулись физики в своих попытках утвердить «золотое правило» механики в его современном виде, если бы задолго до того это правило не было сформулировано в применении к частному случаю. Свыше 2200 лет назад наука открыла закон рычага — простой машины, наглядно иллюстрирующей справедливость «золотого правила». Парадоксально, но рычаг изобрели задолго до того, как был открыт физический закон, объясняющий принцип действия этого устройства.

Принцип работы рычага настолько прост, что это нехитрое устройство впервые стали применять, видимо, еще доисторические люди. Они использовали палки для перемещения больших камней, особенно при воздвижении своих культовых мегалитических сооружений — менгиров, дольменов, кромлехов. В дальнейшем рычажные устройства, сконструированные по гораздо более сложной схеме, стали применяться строителями древнейших городов.

Поскольку самый первый город Иерихон был заложен свыше 10 тыс. лет назад, то можно утверждать, что начиная с этой даты применение рычагов становится все более частым. Регулярно рычажные механизмы применялись в Древнем Египте, где имело место широкомасштабное планомерное строительство разнообразных архитектурных комплексов, объектов хозяйственного назначения и т. п. Каждый в первую очередь представляет себе царские гробницы — пирамиды. Если соблюдать точность, то знаменитые египетские пирамиды представляют собой колоссальные надгробия из каменных блоков.

Сама гробница является крупным помещением, уходящим глубоко под землю и заканчивающимся комнатой-усыпальницей, в которой помещался саркофаг с мумией усопшего владыки. Первоначально надгробиями для подземных гробниц фараонов служили огромные плоские мастабы. Лишь фараон Джосер около 4700 лет назад ввел традицию увеличивать мастабы ввысь и превращать их в пирамидальные сооружения. Во время воздвижения пирамид широко применялись рычаги, которые являлись самым необходимым строительным приспособлением, поскольку лишь с помощью подобных устройств было возможно поднимать массивные каменные глыбы на большую высоту.

Затем машины, действие которых основано на принципе рычага, стали использоваться в строительстве повсеместно. Естественно, особое значение они получили в Древней Элладе, т. к. греки уважали архитектуру. Эта наука в их представлении была связана с одной из «идеальных» наук — геометрией. Конструирование механических устройств не было, однако, столь почетным делом. По этой причине рычагом пользовались, не пытаясь объяснить его свойств.

Некоторые древнегреческие мыслители предпринимали попытки разгадать тайны рычага, но все эти начинания оказались тщетны по той причине, что древние подходили к проблеме с предвзятым суждением о свойствах этого простого устройства. Вскоре рычаг был объявлен магическим инструментом, потому что его работа основывалась на полумистических свойствах круга. Дело в том, что концы плеч рычага описывают в пространстве во время своего движения дуги окружностей. А круг и окружность почитались в Древнем мире как священные и волшебные фигуры, ведь по кругу двигались небесные светила.

Круг был «идеален» во всех отношениях, а потому ссылкой на него легко можно было объяснить все самое непонятное в природе и жизни людей. Закон рычага предстояло открыть великому древнегреческому геометру III в. до н. э. Архимеду, жившему в городе Сиракузы на Сицилии. Архимед первым приподнял завесу тайны над магическим кругом, обнаружив число «пи», и поэтому относился к геометрии без излишней предвзятости и идеализации.

Кроме того, Архимед обладал чрезвычайно широким кругозором и занимался практически всеми вопросами существовавших в ту эпоху направлений геометрической науки. Архимед работал над правилами построения фигур, развивал теорию геометрии, конструировал осадные и строительные машины, изучал центры равновесия (центры тяжести), рассчитывал планетарии, т. е. глобусы звездного неба. Единственной отраслью современной ему геометрии и механики, в которой ученый себя никак не проявил, было изобретение механических игрушек.

Таковы предпосылки, благодаря которым Архимед первым описал сущность работы рычажного устройства и на этом основании сформулировал закон рычага. Рычагом называется любой жесткий стержень для приподнимания и перемещения тяжестей. Он имеет точку опоры или ось скольжения, позволяющую ему осуществлять передвижку предметов. Участки стержня, к которым приложены противодействующие силы, называются плечами рычага. Длина каждого плеча равна протяженности отрезка стержня между точкой опоры и точкой приложения силы.

Одной из сил является вес тяжелого тела, которое необходимо переместить. Вторая сила, приложенная к другому плечу, — мускульная. Эту силу развивает человек, работающий с рычагом. Естественно, такая схема сильно упрощена, поскольку рычаги бывают самыми разными, и силы на них действуют также различные. Работа равняется, как и в предыдущих случаях, произведению расстояния на силу. Тело смещается благодаря рычагу в вертикальном направлении.

Однако это расстояние, как несложно убедиться, зависит от длины плеча рычага. Это следует из равенства треугольников, а треугольниками в данном случае являются воображаемые фигуры, отражающие перемещение точек приложения сил и точки опоры. Следовательно, чем ближе к точке опоры вес тяжелого тела и чем дальше приложение мускульной силы, тем больший выигрыш получает человек. Впрочем, понятие выигрыша относительно, т. к. выигрыша в работе рычаг не дает. В этом он схож с любым простым механизмом.

В рассмотренном случае, когда к длинному плечу приложена мускульная сила, происходит выигрыш в силе: малой силой можно уравновесить большую. Но есть рычаг другого рода, который дает выигрыш в расстоянии. В этом случае мускульная сила приложена к короткому плечу. Перемещать слишком тяжелые предметы нельзя, зато свободно передвигаемые таким рычагом тела могут смещаться на большие расстояния. «Золотое правило» механики действует и здесь. Если есть выигрыш в силе, то будет проигрыш в расстоянии, и наоборот.

Многие люди ошибочно полагают, что тела одинакового веса всегда уравновешиваются рычагом. Отнюдь, равновесие между одинаковыми телами наступает лишь в одном случае — когда плечи рычага равны по длине. В остальных случаях равенства не наступает. Это неудивительно. Соотношение сил равняется соотношению длины плеч рычага. То есть при равных силах, когда соотношение равно 1, для установления баланса необходимо, чтобы соотношение длин плеч количественно равнялось той же величине. Единицу в пропорции можно получить при единственном условии: когда длины плеч одинаковы.

В связи с этим любопытна задача о «пустом» рычаге. К нему не приложены никакие внешние силы, кроме тяготения, которое действует на сами плечи простой машины. Плечи равны по длине и изготовлены из одного материала, следовательно, рычаг находится в равновесном состоянии. Если согнуть одно из плеч, нарушится ли равновесие? Оказывается, да! Поразительно, но перетянет длинное плечо.

Это произойдет по следующей причине. В согнутом плече сместится центр тяжести, он приблизится к точке опоры. В результате само плечо окажется короче, потому что длина плеча представляет собой расстояние между точкой опоры и точкой приложения силы (последняя в нашем случае есть центр тяжести, к которому приложен вес плеча). В другом плече центр тяжести находится по-прежнему далеко от точки опоры. Вес обоих плеч не изменился, значит, смещение центра тяжести приведет к нарушению баланса.

Итак, Архимед, обрадованный своим открытием, горделиво утверждал: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир». Если верить римскому литератору и хроникеру Плутарху, сиракузский изобретатель высказался столь категорично в беседе со своим родственником, царем города Сиракузы Гиероном. Отчетливо понимая, что не существует в природе веса, который невозможно сместить посредством подходящего рычага, Архимед заверял царя, что будь у него (Архимеда) в распоряжении другая земля, он бы поднял нашу.

Впоследствии эту крылатую фразу не раз обыгрывали, но, как правило, всегда неудачно, любители ярких выражений. Однако нас сейчас интересует, был ли прав Архимед. Беспредельны ли возможности рычага? Конечно, его возможности напрямую связаны с материалом стержня, прочностью точки опоры и протяженностью длинного плеча.

Предположим, будто бы у нас имеется подходящий рычаг и точка опоры. Теоретически, если все условия соблюдены, нет ничего более простого, чем сдвинуть планету с земной массой. Земля весит 6 на 10²¹ т. Следовательно, рычаг должен иметь длинное плечо всего в 10²³ раз больше короткого. Одна неприятность ожидает последователей Архимеда: неизбежный проигрыш в расстоянии. Чтобы переместить планету с орбиты на толщину атомного ядра, потребуется, очевидно, преодолеть свыше 100 000 км в мировом пространстве, что равно 0,26 расстояния между Землей и Луной.

Если же нам захочется сдвинуть нашу планету на расстояние, равное поперечнику мельчайшей песчинки (10^-6 м), то длинное плечо рычага опишет во Вселенной еще большую дугу — порядка 10¹⁴ км, или 10,6 св. года. Это приближенно равняется расстоянию между Землей и карликовой звездой Росс 154 (10,3 св. года). Бедный Архимед, воспользуйся он современными ракетами, преодолел бы это чудовищное расстояние только много более чем за 1,1 млн лет! Поэтому правота дерзкого утверждения Архимеда относительна.

На протяжении столетий люди ошибочно думали, будто бы воздух — это ничто. Лишь античные философы признали воздух веществом и нарекли его одним из четырех первоэлементов, слагающих природу. Но и такое признание дало немного для физики, поскольку не раскрывало истинной природы воздуха. Он по-прежнему считался легчайшим и невесомым, как бы несуществующим, хотя губившие корабли мореходов ураганы настойчиво доказывали обратное. Истинным переворотом в физике и человеческом сознании вообще стало открытие воздушного давления.

Открыто давление воздуха

Первым ученым-физиком, всерьез обратившим внимание на материальность воздуха и его влияние на окружающие тела, был великий итальянский механик и астроном Г. Галилей. В 1638 г. он проводил свои исторические опыты с шарами, которые бросал вниз с наклонной Пизанской башни. При этом Галилей установил, что свободному падению тел препятствует воздух. В пустом пространстве тела разных масс и форм падали бы одновременно, с одинаковым ускорением.

Спустя некоторое время после этих опытов, в 1643 г., было открыто атмосферное давление. Его обнаружил другой итальянский физик — Э. Торричелли, устроивший специальный опыт. Он использовал открытый сосуд с ртутью и полую стеклянную трубку, запаянную с одного конца. Длина трубки равнялась 1 м. Ее также заливали ртутью. Торричелли закрыл отверстие трубки, перевернул ее и в таком виде вертикально опустил в сосуд с ртутью. Затем он открыл отверстие трубки, находящееся на ее конце, погруженном в сосуд. Однако ртуть из трубки не вылилась.

Уровень жидкого металла лишь немного понизился, опустившись до 760 мм. Высота столба ртути составляла, т. о., 760 мм, а выше находилось пустое пространство. Если следовать физике Аристотеля Стагирита, служившей в то время фундаментом науки, то получается, что именно пустота препятствует дальнейшему убыванию ртути. «Природа боится пустоты», — учил Аристотель. Однако добросовестного экспериментатора Торричелли эти устаревшие, ложные учения не устраивали. Если природа боится пустоты, то откуда вообще взялось пустое пространство в трубке? И почему оно столь странно себя ведет?

Пустота, названная впоследствии торричеллиевой, действительно вела себя в высшей степени странно. Торричелли проделал множество опытов, подтвердивших, что уровень ртути в трубке меняется, но при этом остается неизменным относительно поверхности ртути в открытом сосуде. В своих опытах физик наклонял трубку и наблюдал, как ртутный столбик ползет вверх. Чем острее был угол наклона, тем выше по трубке полз металл и тем меньше оставалось на ее конце пустого пространства. Но если замерить высоту уровня ртути не относительно стенок трубки, а относительно поверхности жидкого металла в сосуде, то высота ртутного столба останется неизменной и будет равна 760 мм. Ясно, что происходило это вовсе не под «особым влиянием» пустоты. К слову, никакой абсолютной пустоты в пространстве над ртутью в торричеллиевой трубке не было. Там находились пары ртути. Как бы то ни было, их давление столь ничтожно, что не будет ошибкой пренебречь им.

Ученый совершенно верно связал странности поведения металла с атмосферным давлением. На поверхность ртути в открытом сосуде давит воздушный столб. Поскольку воздух не проникает в область торричеллиевой пустоты внутри трубки, то давление внутри жидкого металла в этой трубке зависит лишь от давления, приходящегося на поверхность ртути в сосуде. А это означает, что ртуть в трубке Торричелли находится под давлением, равным атмосферному. При определенной величине давления воздуха высота ртутного столба остается постоянной. Длина столба при наклоне увеличивается, а вот высота, отсчитываемая по вертикали, не меняется до тех пор, пока не изменится давление воздуха.

Торричелли высмеивал отсталое представление о легких и тяжелых телах, основанное на ложном учении Аристотеля. Давление атмосферы порождает, как и давление жидкостей, выталкивающую силу. Именно Торричелли первым обратил на это внимание. Ученый показал, каковы были бы рассуждения мифических персонажей, если бы они действительно существовали и развивали собственную физику. Морские нимфы сочли бы древесину, тяжелую в воздушном океане, легкой в своей родной среде. Жители ртутного моря почитали бы за легкие все тела, кроме золота. А вот живущие в огне саламандры каждое физическое тело, включая и воздух, нашли бы тяжелым.

В существовании выталкивающей силы может убедиться всякий, кто наблюдал полет воздушного шара или дирижабля. Эти тела поднимаются вверх именно потому, что их выталкивает архимедова сила, порожденная атмосферным давлением. Силу выталкивания следовало бы назвать торричеллиевой, но Архимед открыл ее раньше для жидкостей. Дирижабли заполняются водородом или более безопасным гелием. Воздушные шары наполняются горячим воздухом, который «легче» прохладного. Точнее, плотность горячего воздуха низка, оттого его вес меньше.

Приведенное объяснение полета воздушных шаров и аэростатов несколько упрощенно. В действительности на шар действуют многочисленные внешние и внутренние силы. Если влияющая на деревянную пробку и любое твердое тело выталкивающая сила порождена разностью давлений на нижнюю и верхнюю части такого тела, то в случае с давлением на оболочку шара (аэростата) сила выталкивания порождается разностью давлений газа внутри и снаружи оболочки.

Есть и более простой способ наблюдать, как воздух выталкивает тела. Для этого достаточно вооружиться стеклянным колпаком, из под которого можно откачать насосом воздух, а также рычажными весами, набором аптекарских гирь и елочным шаром. Шар, полый внутри, следует залить в месте отверстия воском, добившись герметичности.

Затем нужно положить шар на чашу весов и уравновесить его гирями. После этого весы помещаются под колпак, откуда начинает выкачиваться воздух. По мере того как давление воздуха под колпаком будет падать, шар перевесит гири. Его истинный вес оказался больше потому, что на заполненный воздухом шар действовала выталкивающая сила, уменьшающая вес. Как только сила Архимеда значительно уменьшилась, шар приобрел почти истинный вес.

Завершая разговор об открытиях Торричелли, нужно отметить, что благодаря этому ученому была найдена единица измерения давления под названием миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.), которая долгое время с успехом использовалась в силу своей наглядности.

Ныне она не применяется в физике, где была вытеснена паскалем и баром. Если до конца соблюдать точность, то вместо бара используется его производная — миллибар (мбар), представляющий 1/1000 бара. Один миллибар приближенно равен нормальному атмосферному давлению, а именно 750 мм рт. ст.

Паскаль (Па) принят Международной системой единиц и равен 0,01 мбара. Сейчас миллиметры ртутного столба применяются только метеорологами.

Сегодня известны физические причины, вызывающие давление воздушного столба. Всякое давление газа есть результат ударов его частиц (молекул) об окружающие тела. Газовые частицы непрерывно движутся на большой скорости, оттого их суммарные удары о какую-то поверхность приводят к тому же эффекту, как если бы на эту поверхность давило какое-то твердое тело. Главным условием давления является ограниченность объема. Если газ ничем не ограничен, то он разлетается в мировом пространстве, хаотически рассеивается и теряет возможность оказывать давление.

Иначе обстоит дело на космических кораблях, которые представляют собой замкнутое пространство. Не так давно, незадолго до начала космической эры, некоторые ученые спорили, будет ли воздух на борту космического корабля иметь давление. Ответ на этот вопрос очевиден сам по себе и подтвержден в настоящее время многократными космическими полетами. Замкнутое пространство поддерживает давление воздуха на космическом корабле. Молекулы постоянно ударяются о стенки и не разлетаются.

Давление планетной атмосферы весьма своеобразно, поскольку воздушная оболочка имеет лишь одну границу — нижнюю, т. е. поверхность планеты (Земли). Верхней границы для земного воздуха не существует, поскольку за пределами атмосферы начинается космическое пространство. В силу этой причины наша планета через 3 млрд лет утратит свою газовую оболочку. Атмосфера полностью улетучится в космос. Сейчас же она удерживается за счет сил гравитации.

Покинуть гравитационное поле Земли можно лишь на скорости 7,9 км/с, а большинство молекул не способны развить такую скорость. Они чересчур медлительны, а потому не могут улететь в космос, но парят над земной поверхностью, образуя воздушный слой. Естественно, парить постоянно под действием притяжения медленные молекулы не могут. И они периодически падают на земную поверхность и находящиеся на ней тела. Поскольку число частиц воздуха очень велико и достигает 27 на 10²⁴ частиц на 1 м³, то на нас непрестанно обрушивается град молекул. Этот град создает вес воздуха, а попутно и атмосферное давление на земную поверхность.

Таким образом, давление воздуха по своей природе тесно связано с весом. Но разница между этими силами есть. Давление воздуха направлено равномерно во все стороны, потому что он, будучи газом, стремится разлететься во всех направлениях. Вот почему давление действует на тела на дне воздушного океана со всех сторон.

А вот вес по своему действию сонаправлен с силой земного притяжения. Причина столь тесной взаимосвязи между двумя разными силами коренится в том, что гравитация создает ограничение для разлета газовых молекул атмосферы, заменяя собой отсутствующую стенку «сосуда», в который заключен воздух. А если есть стенка, пусть и ненастоящая, то получается замкнутое пространство, в котором воздух обладает давлением.

Величина атмосферного давления, приходящегося на тело человека, составляет 200 кН (килоньютон). Получается, что воздушный столб давит на нас с силой 20 т! Обычно в некоторых учебниках или популярных книгах, особенно устаревших, подчеркивается, что человек «адаптировался» к столь чудовищному давлению и не замечает его. Давления этого мы действительно не замечаем, но совсем по другим причинам. Адаптироваться к жизни под прессом, увы, невозможно.

Атмосферное давление не причиняет нам ни малейшего вреда лишь потому, что само себя компенсирует, а также компенсируется внутренним давлением организма. Вспомним, что площадь человеческого тела равняется 2 м². Стоит разбить 20 т на эту солидную площадь, как получится сравнительно скромная величина — 10 г/мм². Полученное нами значение является физической постоянной — нормальным атмосферным давлением. Оно, как видно, невелико.

Нельзя забывать и о том, что воздух давит на человека со всех сторон, а не только сверху. Оттого спинной хребет не претерпевает никаких существенных нагрузок. Нижняя и верхняя половины тела придавливаются друг к другу с одинаковой силой, равной 5 кН, т. е. 500 кг. Но и опять внутренние органы не расплющиваются. Они спокойно переносят фантастические нагрузки, поскольку площадь соприкосновения половин тела насчитывает 1000 см², а потому давление остается прежним по значению — 10 г/мм².

Кроме того, внутреннее давление человеческого тела компенсирует наружное сдавливание. Впрочем, происходит так не всегда. Например, в суставах давление в сравнении с атмосферным ничтожно. В результате головки костей прочно держатся в суставных впадинах: они туда вдавливаются силой атмосферы. Хитрое устройство, изобретенное природой, защищает нас от вывихов. Удержать суставы столь крепко сцепленными и при этом подвижными каким-либо другим способом не удалось бы.

Страшно представить, что случилось бы с человеком, имей мы другое анатомическое строение. Каждому из нас доводилось брать со стола различные предметы — книги, листы бумаги, деловые папки и т. д. Эти предметы плотно прилегают к крышке стола, поэтому любой скажет, что между поверхностью стола и лежащей на ней книгой, например, ничего нет. Оба объекта тесно соприкасаются. Физик обязательно оспорит положение. Он знает, что поверхности тел неровные, а потому между столом и книгой всегда есть прослойка воздуха.

Полностью устранить эту прослойку невозможно, т. к. предельно выровнять поверхность стола или книги не получится. Но это даже к лучшему. На книгу обычного формата действует давление воздуха с силой около 28 кг. Разумеется, мы этого давления не замечаем, т. к. оно уравновешивается противодавлением тонкого воздушного слоя, находящегося под книгой и отделяющего ее от стола. Если хотя бы значительно сократить его толщину, то человеку придется в буквальном смысле слова отрывать книгу от стола, прилагая физическую силу, как если бы речь шла о поднятии груза в 20–25 кг. Естественно, книгу поднять получится, но она будет сильно изорвана.

Известен и более наглядный пример. В старых учебниках по физике, как школьных, так и университетских, по традиции непременно помещали классический рисунок магдебургского опыта. Шестнадцать лошадей пытаются разнять два полушария, надежно скрепленных давлением воздуха. Автор эксперимента — просвещенный бургомистр О. фон Герике, знаменитый изобретатель воздушного насоса. Этот человек, прозванный современниками «германским Галилеем», одним из первых поверил в существование воздушного давления и реально оценил фантастическую мощь последнего.

Всего бургомистр провел множество самых разнообразных опытов, как тогда говорили, «над безвоздушным пространством». Но эксперимент с двумя упряжками лошадей вошел в историю, поскольку стал настоящим событием в науке. Он проводился 8 мая 1654 г. в чрезвычайно торжественной обстановке. Политическая ситуация в Германии и Европе в целом в ту пору была крайне нестабильной, однако на удивительное зрелище съехались многие князья и сам император.

Не все знают, где конкретно проходил этот эксперимент. Нередко доводится встречать ошибочное заключение, будто бы событие имело место в городе Магдебурге. Герике был бургомистром Регенсбурга, в истории которого магдебургские опыты стали самым знаменательным событием. К слову, не так давно, в середине 1980-х гг., местные власти, обеспокоенные тем, что городок почти никто не посещает, решили периодически устраивать для привлечения гостей эксперимент с полушариями и лошадьми. В те времена опыты также носили характер рекламы, но на сей раз это была реклама научного открытия, которое могло пройти незамеченным. Медные полушария названы магдебургскими в честь города, в котором были изготовлены.

Сам фон Герике описал свои эксперименты в книге «Так называемые новые магдебургские опыты над безвоздушным пространством…», вышедшей в Амстердаме в 1672 г. Опыт с лошадьми изложен в главе XXIII. Герике сообщает о том, как по его заказу изготовили медные полушария диаметром 36,9 см, к которым были прикреплены 4 кольца для продевания канатов от упряжки. Одно из полушарий было снабжено краном для откачки воздуха.

Фон Герике пишет следующее: «В кран вставлена была трубка воздушного насоса, и был удален воздух внутри шара. Тогда обнаружилось, с какою силою оба полушария придавливались друг к другу через кожаное кольцо. Давление наружного воздуха прижимало их так крепко, что 16 лошадей рывком совсем не могли их разнять…». В строгом смысле слова, к полушариям была приложена сила только 8 лошадей, а противоположная упряжка создавала противодействие. С тем же успехом можно было бы закрепить полушария на стене каменного дома и заставить восьмерку лошадей тянуть их в направлении от стены.

Эти восемь лошадей развивают тягу, равную 20 т. Она оказалась недостаточной, чтобы разъединить полушария, столь сильно сдавливал их воздух. «Но стоило поворотом крана открыть свободный доступ воздуху, и полушария легко было разнять руками», — сообщает далее фон Герике. Нелишне будет напомнить, что железнодорожные вагоны имеют массу в пределах 20–22 т. То есть давление воздуха приближенно равнялось весу вагона.

От лошадей требовалась задача, равная перемещению вагона, не поставленного на рельсы. И неудивительно, поскольку величина давления, приходившегося на каждое полушарие, насчитывала 1 т! Кто-то может возразить, что лошадь способна везти тонну. Это верное замечание, вот только лошадь везет ее на телеге. Магдебургские полушария являлись телегой без колес. От этого масса «воздушного груза» составила свыше 20 т. Чтобы разорвать полушария, потребовалось бы употребить силу 26 лошадей вместо 16.

Строго говоря, полного вакуума внутри полушарий никогда не было. Получить глубокий вакуум и сегодня технически нереально, в XVII в. же это была неосуществимая задача. Поэтому сжимало полушария не атмосферное давление, а разница давлений — атмосферного и сверхнизкого внутреннего. Следует оговориться и касательно другого момента. Использовать 26 лошадей для разрыва полушарий вовсе не обязательно. Роль второй упряжки опять-таки вполне может сыграть прочная каменная стена.

Это прекрасно понимал, видимо, и автор эксперимента фон Герике. Достаточно сказать, что в последующих Магдебургеких опытах мы уже не встречаем никаких двойных упряжек. Герике разрывал полушария грузами и прочими способами. Например, он подвешивал полушария на крюк и прикреплял к нижнему платформу, на которую накладывал грузы.

Видоизмененный вариант полушарий Герике представляют собой присоски, которыми обязательно пользуются грабители и шпионы экстра-класса в кинофильмах. Посредством таких присосок человек якобы обретает возможность передвигаться по стенам. Создатели кинопродукции никого не обманывают. Присоски действительно способны удержать человека, поскольку из-под них выкачивается воздух. Резина плотно прилегает к поверхности стены, а ничтожно низкое давление скудной воздушной прослойки не может скомпенсировать давления воздуха.

Площадь одной такой присоски равняется 70 000 мм². Это означает, что устройство способно выдержать вес до 700 тыс. г, или 700 кг! Поскольку глубокого вакуума создать такая присоска не может, ее сила значительно меньше. И тем не менее очевидно, что человек в состоянии удержаться всего на одной присоске. Ловкие режиссеры показывают гораздо более захватывающие сцены с использованием присосок. Например, когда человек срывается со стены или с крыши скоростного поезда, и от смерти его спасает только присоска. Корректны ли эти сцены с точки зрения физика? Вполне! Падение со стены в изображаемых сценах занимает по времени около 3 с. За это время человек под действием ускорения утяжеляется до 235 кг. Именно такая нагрузка приходится на присоску. Даже если падение будет длиться 5–6 с, присоска все равно исправно выполнит свою задачу.

Падение со скоростного поезда длится примерно 1 с (на самом деле сцена занимает несколько меньше времени). Вес человека увеличивается за счет сил инерции, сообщающих ему ускорение 28 м/с². Нетрудно подсчитать, что среднего роста и телосложения мужчина в такой момент будет оказывать на присоску нагрузку в 2240 Н (ньютонов), что соответствует в нормальных условиях весу 224 кг. Это приближенно равно 3-кратной перегрузке, которую легко выдерживает тренированный человек. Присоска опять-таки справляется с поставленной перед ней задачей.

Между прочим, именно присоски больше всего убеждают в том, что давление воздуха направлено равномерно во все стороны. Ведь с их помощью киногерои двигаются по вертикальным поверхностям и потолкам, следовательно, воздух одинаково давит и вбок, и даже вверх.

В заключение этого разговора следует рассказать о вакууме. Аристотель верил, что пустоты не существует, и до известной степени был прав. Неужели Торричелли ошибался и все его старания опровергнуть точку зрения античного философа были пустой тратой времени и принесли вред науке? Отнюдь. Так рассуждать нельзя. В свое время Аристотель спорил с Платоном, Галилей спорил с Аристотелем, Пуанкаре объявил, что Земля не вращается, и тем самым опроверг Галилея.

И тем не менее каждый из этих мыслителей и ученых был по-своему прав, поскольку изучал законы мира с новой позиции. Судить этот вечный спор нельзя, поскольку в нем нет неправой стороны. Галилей не поддерживал Платона, когда опроверг физику Аристотеля. Пуанкаре не восстанавливал авторитет Стагирита, когда оспаривал великого итальянца. Так склонны думать лишь люди с плоским мышлением, тщетно пытающиеся «навести порядок в науке».

Пустота есть, и одновременно ее нет. В мире нет абсолютной пустоты, однако есть та пустота, против которой восстал Аристотель. Вакуум представляет собой особое состояние материи, обладающее минимальной энергией. Оно почти свободно от частиц вещества, но насыщено физическими полями и различными волнами. Из энергии полей и волн способны возникать виртуальные частицы, которые при подходящих условиях «материализуются» — становятся реальными. Вакуум не терпит пустоты и сам порождает вещество.

Физический вакуум, как видно, не является абсолютной пустотой. В еще меньшей степени ей является космический вакуум. В мировом пространстве рассеяно колоссальное количество вещества — межзвездного газа и пыли. Плотность этого газа ничтожна, однако на каждый 1 см³ самого глубокого вакуума в среднем приходится 1 атом вещества. Если бы человек обладал способностью двигаться с околосветовой скоростью, то на собственном опыте убедился бы в насыщенности космоса газо-пылевым веществом.

Если воздух на Земле оказывает сопротивление летящему снаряду, то в межзвездном пространстве сильно разреженный газ будет противодействовать полету космонавтов. Астрономы не раз наблюдали объекты, которые движутся со скоростью, близкой к световой. Это газовые струи, извергаемые некоторыми галактиками. На первый взгляд, газ в вакууме не должен встречать никакого сопротивления. Поскольку же скорость струй чудовищно велика, то для них межзвездная среда уплотняется и превращается в серьезную преграду. Поэтому астрономы наблюдают неизбежное торможение галактических выбросов.

Но скорость планет, обращающихся вокруг звезд, невероятно низка. Скорость движения самих звезд также ничтожна в сравнении со световой. Наиболее быстрая планета Солнечной системы Меркурий движется вокруг Солнца со скоростью 0,00016с, где с — скорость света (300 000 км/с). Скорость самого Солнца равна 0,0008с, т. е. всего лишь в 5 раз больше. Сопротивление заполняющего космический вакуум газа для планет и звезд исчезающе мало. Эти тела движутся в пустоте.

Барометр и прочие изобретения

Первый барометр был создан, как ни странно, 2000 лет тому назад великим механиком античности Героном Александрийским. Изобретенное греком устройство правильнее называть бароскопом, однако использовалось оно в качестве термоскопа. То есть прибором измеряли не давление воздуха, но его температуру. Термоскоп Герона описан ниже, в разделе, посвященном температуре и изобретению термометров.

Настоящий бароскоп, использовавшийся по прямому назначению, создал Э. Торричелли. Торричеллиева трубка, заполненная ртутью, как раз и представляет собой этот бароскоп. Устройство является предшественником нынешних ртутных барометров. Показания трубки выражались в единицах, понятных любому современному человеку, а это большая редкость для науки и техники.

Обычно история отметает старые меры и приборы, заменяя их более удобными и улучшенными аналогами. Достаточно напомнить, что сегодня не применяются древнейшие мерные инструменты и единицы для измерения длины, хотя эта физическая величина наиболее проста. Атмосферному давлению повезло больше. Его сразу стали измерять посредством прибора, который не претерпел со временем принципиальных изменений. Единица измерения также сохранилась и почти повсеместно используется, лишь в ряде наук она вытеснена другими.

Сегодня созданы водные, ртутные и многие другие типы барометров. Барометры для измерения атмосферного давления, имеющиеся почти в каждом доме, обычно не являются ртутными. Они принадлежат к семейству анероидов. Барометр-анероид внешне напоминает часы: он круглый и снабжен стрелками. Одна стрелка установочная, она выставляется владельцем барометра и показывает изначальное значение давления. Вторая стрелка рабочая, она отклоняется при изменении давления.

По разнице между положением установочной и рабочей стрелок можно судить о том, как меняется давление (возрастает, падает) и насколько. При этом установочная стрелка выставляется по рабочей, т. е. указывает на ту же отметку, что и рабочая стрелка. На следующий день владелец барометра считывает показания прибора. Для этого необходимо посмотреть, куда отклонилась рабочая стрелка относительно своего первоначального положения, отмеченного установочной.

Если стрелка ушла в сторону больших значений, то это говорит о том, что давление растет. О падении давления свидетельствует движение стрелки в сторону меньших значений. Резкие скачки предвещают существенные изменения погоды. Впрочем, плавное изменение положения стрелки также опасно, если она далеко отклонилась от области нормальных значений. Нормальным атмосферным давлением принято считать значение 760 мм рт. ст., а также соседние отметки — 750–765 мм рт. ст.

Падение давления ведет к ухудшению погоды: облачности, дождям, ветру. Критическое падение давления отмечено на барометре надписью «Буря». Это связано с тем, что в местность с пониженным давлением затягивается воздух из соседних областей, что вызывает ветер, а тот, в свою очередь, нередко приносит облака, тучи, осадки и т. д. Скорость ветра напрямую зависит от разницы давлений между участками атмосферы над рассматриваемыми местностями. Большие подвижные области низкого давления называются циклонами. Тропические циклоны (тайфуны и ураганы) опасны очень сильным ветром и грозами, которые сопровождают их.

Обширные области устойчивого высокого давления носят названия антициклонов. При высоком давлении небо ясное, облачность минимальна, а осадков не наблюдается. Летом повышение давления означает увеличение жары и сухости, отсюда и надпись «Сушь» на барометре. Зимой «Сушь» приносит крепкие морозы. Критическое повышение давления отмечено на шкале анероида надписью «В. сушь», т. е. великая сушь.

Анероид лишен ртутного или водяного столба, зато обладает гофрированной коробочкой, стенки которой чрезвычайно чувствительны к перепадам давления. В зависимости от величины давления коробочка сжимается, как бы сдавливается или, напротив, распрямляется и выгибается. По поверхности такой коробочки скользит стержень механического устройства, приводящего в движение стрелку барометра. Стержень меняет свое положение всякий раз, как только коробочка деформируется. Соответственно, изменяется и положение стрелки.

Использовать выталкивающую силу воздуха человек научился лишь в конце XVIII столетия, когда французские изобретатели братья Монгольфье построили первый в истории воздушный шар. Их шар, как и последующие сконструированные ими модели, наполнялся горячим воздухом. Первый полет на монгольфьере, как окрестили новое транспортное средство, состоялся в 1783 г., т. е. более 300 лет назад. Подъемная сила самых крупных шаров-монгольфьеров была невелика и составляла 27 % от веса воздуха под оболочкой.

На своем первом детище братья-изобретатели сделали провидческую надпись: «Так поднимаются к звездам». Конечно, на воздушном шаре не долететь до звезд. Но дорога в космос прокладывается человеческим разумом, творческим и созидающим. Наука и техника приведут людей к покорению воздушного океана и небесных далей — вот во что верили Монгольфье.

На рубеже XVIII–XIX вв. родилась идея заполнять монгольфьеры водородом, который в 14 раз легче воздуха, поэтому имеет большую подъемную силу. С такой идеей выступил французский физик Ж. Шарль, один из первооткрывателей газового закона, носящего его имя. Летательные устройства на водороде широко применялись вплоть до начала прошлого столетия. К сожалению, этот газ слишком горюч, может легко вспыхнуть. В смеси с воздухом он взрывоопасен. Это приводило к многочисленным катастрофам, связанным зачастую с большими жертвами.

Поэтому более поздние аэростаты предложено было наполнять гелием, который удалось открыть на Земле в конце XIX в. (открытый в середине XIX в. гелий был известен лишь на Солнце). Впрочем, в течение длительного времени гелий не был универсальным заправочным газом, поскольку получать его промышленным путем не умели вплоть до начала Первой Мировой войны. К слову, во время этой войны столь же важную роль, как и самолеты, играли управляемые аэростаты, называвшиеся дирижаблями. Строить дирижабли начали в первые годы XX столетия.

Первыми открыли легкий способ получения гелия немцы, которые во время Первой Мировой войны ошеломили противников атакой своих цеппелинов, не взрывающихся под прямым обстрелом. Англичане догадались, что германские цеппелины — дирижабли с оболочкой на металлическом каркасе — заправлены не горючим водородом, а нейтральным гелием. Британская разведка вскоре открыла секрет получения гелия, и газ стали добывать во всем мире в промышленных масштабах.

Однако к тому времени необходимость в дирижаблях отпала. Они слишком медлительны, плохо берут высоту и сложны в управлении. Кроме того, гелий имеет ряд недостатков перед опасным водородом, которым пользуются и по сей день для заправки стратостатов и других зондов, изучающих метеорологические условия в высших слоях атмосферы. Нужно отметить, что изобретение сослужило людям хорошую службу.

В частности, первые перелеты через Атлантику выполнялись именно на дирижаблях в 1918 г. Между прочим, по ошибке принято считать, будто первый трансатлантический перелет совершил Ч. Линдберг в 1927 г. На самом деле Линдберг был 67 по очереди человеком, пересекшим воздушным путем Атлантический океан. Он был первым одиночкой, совершившим беспосадочный перелет через океан.

Как бы то ни было, искусство воздухоплавания на монгольфьерах и дирижаблях вновь возрождается в конце прошедшего века. Причем цели новоявленных «аэронавтов» более чем серьезны. Сейчас весь мир обеспокоен катастрофическим сокращением площади экваториальных лесов. Чтобы спасти множество видов, населяющих девственные леса, называемые еще дождевыми, требуется прежде всего досконально изучить экологию и биологию этих видов.

Значительное число обитателей дождевого леса селится в кронах деревьев. Исследователи оценили биологическое богатство этой среды. Кроны деревьев дождевого леса резко отличаются от остальных лесных ярусов и настолько своеобразны, что могут сравниться с такими средами, как океанический шельф, коралловые рифы, лесная подстилка и почва.

Удивительный, бурлящий жизнью мир совершенно не изучен, поскольку изучать его затруднительно по причине 60-ти метровой высоты деревьев. Выход из создавшегося положения был найден, когда ботаник Франсис Алле предложил для исследования необычной среды применять воздушные шары. С самолета кроны изучить невозможно, поскольку биологу требуется зависать над деревьями. Вертолет создает много шума, порождает сильные воздушные потоки, чем распугивает животных.

Тихоходные монгольфьеры способны легко скользить над древесными кронами и надолго останавливаться в заданном положении. Исследовательские воздушные шары оснащены подвесными каркасными платформами (надувными), на которых по прибытии на место размещаются ученые со своей аппаратурой. Шар позволяет спускать платформу на переплетение древесных ветвей и закреплять ее там, после чего шар сворачивается. Использование надувных платформ в изучении древесных крон можно сравнить с изобретением акваланга, который открыл для человека красоты океанических глубин.

В обозримом будущем следует ожидать появления нового назначения дирижабля. Он прошел путь от обыкновенного транспорта, военной машины до исследовательского воздушного судна. Скоро дирижабли станут круизными судами. Малая скорость не является в данном случае серьезным недостатком, напротив, может расцениваться как достоинство. Океанические круизные лайнеры тихоходны и огромны. Такими же могут быть и дирижабли с цеппелинами. Более того, летучая гостиница может быть вечной.

Уже давно ученые планировали оснастить самолеты ядерными реакторами. К несчастью, проект провалился. Другого и быть не могло, поскольку масса такого самолета должна была бы достигать как минимум 700 т, из которых основная часть приходилась бы на защиту пилотов, экипажа и пассажиров от радиации. Дирижабль же не боится большого веса. Ведь этому устройству требуется мощность двигателей лишь 0,02 л.с. на 1 кг полетного веса. Атомный литиевый реактор в состоянии обеспечить данную мощность. В конце 1960-х гг. появились первые разработки такого рода в США и ФРГ.

Затем интерес к ядерному дирижаблю на время затих, поскольку техническое осуществление проекта было слишком трудным. Сегодня реально построить и не такие гиганты, какие были спроектированы в 60-е гг. XX в. Рост туризма и сервиса развлечений достиг ныне небывалого размаха, а потому к идее ядерного дирижабля еще не раз вернутся. Точно так же воздушные шары стали ныне неотъемлемой частью бизнеса развлечений. Проекты атомного великана впечатляют.

Подъемная сила исполина, разработанного в США (т. н. бостонский проект), достигает 380 т. Общая мощность двигателей в 6000 л.с. позволяет дирижаблю развивать скорость до 150 км/ч. Трехпалубное воздушное судно рассчитано на одновременную перевозку 400 пассажиров.

Это немного в сравнении с океанскими лайнерами, однако не нужно думать, будто люди будут тесниться на борту дирижабля. В проекте предполагается, что гостиница будет иметь все удобства. В ее плане имеется роскошный ресторан, танцевальный зал, видеосалон и т. д. Некоторые из постояльцев смогут взять с собой в путешествие личную машину: на борту предусмотрен гараж для перевозки 100 автомобилей.

Рано ставить точку и в военной истории дирижабля. Американцы предполагают использовать крупные дирижабли с мягкой оболочкой для патрулирования морских границ. Подобная техника поступила в управление береговой охраны США сравнительно недавно. Первым успешным дирижаблем стал самый большой на то время из имеющих мягкую оболочку «Сентинел-1000». Гигант обладает высокой маневренностью и может находиться в полете около суток без дозаправки. Исполин был построен и испытан в 1991 г.

Современная механика, основывающаяся на законах Ньютона и Галилея, сильно отличается от ранней классической механики. Во все времена эта наука служила потребностям производства. Сегодня ее значение в данной роли только возросло. Но поскольку запросы промышленности стали совершенно иными, то и механика претерпела серьезные изменения. Ее теоретическая часть дополнилась удивительными открытиями, а прикладная часть, как и следовало ожидать, обогатилась многочисленными изобретениями. Это связано главным образом с возникновением особой, «производственной» механики, которая распалась на автоматику, мехатронику, робототехнику и прочие направления.

Открытие алгоритмирования

Народная мудрость предостерегает нас: «Не говори „гоп“, пока не перепрыгнешь!». В этой нехитрой рекомендации заключен глубокий смысл, если подходить к ней с научных позиций. Выполнение любой работы требует от человека четкой последовательности действий. Сегодня в развитых странах повсеместно происходит активный процесс автоматизации труда, т. е. замены человека на тяжелых и вредных производствах машинами. Несложно догадаться, что данное незыблемое правило распространяется и на автоматы, а потому играет исключительно важную роль в развитии промышленности.

Описание последовательности действий мы называем указаниями или руководством. Наука использует название алгоритма. Прыгай, а потом говори «гоп» — типичный пример алгоритма, поскольку это руководство содержит описание оптимальной последовательности действий. Выполняя действия в указанной последовательности, можно добиться желаемого результата.

Само слово «алгоритм» имеет арабское происхождение. Это латинизированная форма от имени великого среднеазиатского математика прошлого аль-Хорезми. Он первым рассмотрел поиск решения задачи в качестве системы операций, осуществляемых в полном соответствии с правилами математического вычисления. Впоследствии составление приемов решения задач получило название алгоритмирования, а раздел математики, занимающийся данным направлением, был назван теорией алгоритмов.

Математика лежит в основе всех точных и технических наук, а также тесно сотрудничает с науками естественными. Невозможно назвать такую отрасль знания, которая не опиралась бы на математику. Оказывается, даже гармонию искусства можно «поверить алгеброй». Наверное, оттого столь величественны и прекрасны египетские пирамиды, что их творили любящие свое ремесло геометры. Для современного человека наиболее значимым достижением этой науки явилось начало изучения информации математическими методами.

Связь алгоритмов с трудовыми действиями, последовательностью чего-либо и с математическими величинами была установлена не сразу. Сначала математика взялась за проблему установления количественных законов доказательств и опровержений. Прежде чем изобрести научное алгоритмирование, требовалось заложить основы математической логики. Ее создателем выступил английский математик Дж. Буль, отчего долгое время, почти до 1950-х гг., данную дисциплину именовали «булевой алгеброй». Буль создал свою алгебру в 1854 г., указав на возможность применять математические законы для решения практических задач.

В начале XX в. трудами многих экономистов были сформулированы базовые положения менеджмента как науки управления производством. Особым направлением менеджмента стало возникшее в 1900–1910 гг. учение Ф. Гилбрета о последовательности рабочих операций. Оно позволило разбить деятельность рабочих на отдельные психомоторные элементы — т. н. терблиги (от обратного прочтения имени первооткрывателя).

Нахождение оптимальной последовательности терблигов способствовало повышению эффективности выполнения заданий. Таким образом, Гилбрет фактически нашел способ алгоритмизировать труд. Потребность в управлении возрастала, причем само понятие управления непрерывно расширялось. Это не просто контроль за рабочими, но исследование самых разных процессов (технологических, социальных, психологических, экономических и т. д.) и умелое направление этих процессов в нужное русло.

В 1940-х гг. под влиянием растущего интереса к проблемам менеджмента американский математик Н. Винер создает науку об общих законах управления процессами и системами — кибернетику. Становление и дальнейшее развитие кибернетики было связано с развитием вычислительных машин, которые в середине 1940-х гг. как раз претерпевали бурную эволюцию: на смену электромеханическим счетным устройствам приходили электронные машины (ЭВМ). Эти устройства были построены таким образом, что выполняли анализ информации по программе, являвшейся алгоритмом, записанным на машинном языке.

Прогресс кибернетической науки, ее успехи тесно связаны с дальнейшим развитием информатики и вычислительной техники. По иронии судьбы оказалось, что управление разнообразными процессами возможно полноценно, всесторонне изучать лишь посредством компьютеров — устройств, работа которых всецело подчиняется кибернетическим алгоритмам. Кибернетика по своему содержанию и совокупности методов напоминает Уроборос — змею, заглатывающую свой хвост, поскольку эта наука движется по замкнутому кругу.

Исследования управленческих задач упираются в использование электронно-вычислительных машин. Их программирование сводится к необходимости изучать начала теории управления. Таким образом, развитие теории предполагает параллельное развитие технологий. Объединение теоретических основ кибернетики и созданной благодаря им вычислительной техники облегчает дальнейшие исследования управления процессами и анализ систем.

Может возникнуть вопрос, как алгоритмирование связано с механикой. Оказывается, самым непосредственным образом. Дело в том, что кибернетика была призвана усовершенствовать работу механических, электромеханических, тепловых и прочих машин. Высокая производительность этих устройств, их возможности, оптимальный режим работы и многое другое определяется, естественно, кибернетикой. В наше время такие параметры рассчитываются исключительно на ЭВМ.

Однако расчет проводится с учетом данных классической физики, кибернетика опирается на формулы механики.

Динамика находит траекторию движения деталей и величины приложенных сил, статика находит сопротивление, податливость, пластичность и хрупкость материалов и т. д. Полученные формулы приобретают благодаря кибернетике вид универсального алгоритма для станков и прочих автоматических и полуавтоматических устройств. Следовательно, прикладная кибернетика выступает естественным продолжением и дополнением прикладной механики. Более того, вся история механических устройств представляет собой историю совершенствования способов алгоритмирования.

Изобретение автоматов и роботов

Слово «автомат» в переводе с греческого означает самодвижущийся. Так называется механическое или электромеханическое устройство, способное без помощи мускульной силы человека или животного выполнять действие или цикл действий, производя при этом полезную работу. Автомат не синонимичен аппарату, который представляет собой любое техническое средство, оборудование, в т. ч. и неавтоматическое. Древние греки явились создателями первых самодвижущихся приспособлений.

Наиболее ранний автомат в истории человечества — это, видимо, водяное колесо. Оно приводилось в движение речным потоком и в результате этого выполняло какую-нибудь простейшую работу. Знаменитые александрийские механики и геометры создавали более хитроумные приспособления, которые, однако, не нашли практического применения. Преимущественно это были механические игрушки, очень популярные в античности. Некоторые автоматы устанавливались в храмах, где открывали двери или приводили в движение статуи богов.

Самым прославленным создателем игрушек и прочих автоматов эпохи эллинизма был изобретатель Герон Александрийский (III в. до н. э.). После падения Рима интерес к механике надолго пропадает, только удобное водяное колесо сохранилось с античности. Оно все чаще применяется в водяных мельницах. Ветряные мельницы появляются в Европе в X–XI вв., а наибольшее их распространение приходится на время последних крестовых походов на Восток. Ветряную мельницу тоже допустимо рассматривать в качестве автомата.

Новый виток развития принесло позднее средневековье, когда в эпоху первого промышленного переворота механические приспособления получили широкое распространение. Ткацкие станки, часы, музыкальные и прочие устройства представляли собой примитивные механизмы, предназначенные для выполнения работы в автоматическом или, чаще всего, полуавтоматическом режимах. Конструирование полуавтоматических станков началось в XVI столетии. Действие этих устройств по большей части контролировалось работниками.

Обслуживающий персонал приводил станки в действие.

Шарманку по праву можно считать первым механическим устройством, работавшим по заданному алгоритму (программе).

Известно, что мелодия в шарманке извлекается благодаря вращению металлического диска с штырьками. Эти штырьки перемещались по кругу и определенным образом воздействовали на механизм шарманки. Воздействие было как бы запрограммировано, т. е. представляло собой алгоритм, осуществление которого давало звучание одной последовательности нот, а не другой.

Первоначально шарманки играли только одну мелодию — песенку «Шарман Катарина» («Милая Катарина»), отсюда и происходит их название. Музыкальные шкатулки и часы с мелодией также основаны на этом принципе. Впоследствии мастера по изготовлению шарманок догадались использовать сменные металлические диски. Меняя отыгравший диск на новый, музыкант-шарманщик менял тем самым мелодию. Дело в том, что на новом диске штырьки имели уже совершенно иное расположение, т. е. иначе воздействовали на механизм шарманки. Алгоритм менялся, что и приводило к смене режима работы.

Механические часы являются самым настоящим автоматом. За счет завода они показывали время, отбивали каждый час, играли мелодии. Наиболее удачным автоматом такого рода следует назвать маятниковые часы. Они были изобретены X. Гюйгенсом во второй половине XVII в.

Эпоха настоящей автоматики началась только после постройки паровой машины Дж. Уаттом, поскольку его устройство работало бесперебойно и почти не требовало контроля или участия человека-работника в технологическом процессе. Единственной задачей человека являлось снабжение топки углем и обеспечение поступления воды в котел.

После открытия на рубеже XVIII–XIX вв. электрической силы судьба автоматики была предрешена. Самодвижущиеся устройства с тех пор стали подлинно самодвижущимися, поскольку функции человека сводились к подключению их к генератору электротока. Все остальное машина могла выполнить самостоятельно. Пристального контроля электромеханические автоматы больше не требовали. Но чтобы устройство обрело подлинную самостоятельность, требовалось найти способы заставить его работать по программе. Выполнение задания связано с соблюдением условий алгоритма.

Конец XX столетия ознаменован рождением мехатроники. Эта наука представляет собой синтез механики и кибернетики, поскольку занимается созданием электромеханических станков с высокой точностью обработки деталей. Мехатроника использует компьютерное алгоритмирование технологических процессов, опирающееся на фундаментальные законы динамики, статики и прочих механических дисциплин. Причиной, по которой ученые создали мехатронику, явился досадный факт, что многие детали после станковой обработки приходится дорабатывать вручную.

Мехатроника предлагает удобный выход из этой ситуации. Посредством теоретической механики рассчитывается оптимальный ход вращающихся и прочих подвижных элементов станка. Затем эти данные закладываются в компьютер, который рассчитывает алгоритм работы станка и согласует движение всех его частей. Электронный мозг периодически добавляет или, напротив, сбавляет обороты деталей. Алгоритмизированная обработка позволяет изготавливать очень сложные изделия.

Рассказывая об автоматике и мехатронике, тесно связанных с компьютерным программированием, нельзя не вспомнить о роботах. Создателем самого раннего робота принято считать видного средневекового богослова и доктора философии Альберта фон Больштедта (XIII в.), названного современниками Великим. Альберт Великий — монах-доминиканец, канонизированный впоследствии католической церковью, обладал энциклопедическими познаниями. За это философу присудили титул «doctor universalis», т. е. всеобъемлющего доктора.

Механическая служанка, которую якобы сконструировал этот неординарный человек, была способна выполнять несколько простейших функций и произносить отдельные фразы. Служанка исправно проработала в течение 30 лет. Она называлась андроидом. Слово «андроид» греческого происхождения и переводится на русских язык как «человекоподобный». Иногда роботов, форма которых воспроизводит человеческое тело, называют андроидами и в наши дни. После фон Больштедта больше никто не пытался создать столь сложную игрушку, и о роботах надолго забыли. Даже с наступлением эпохи автоматики в Новой истории о конструировании подобных машин никто не помышлял.

Двадцатый век, полный событий в мире науки и техники, заставил пересмотреть взгляды на возможности автоматики. Активное развитие электромеханики и программирования, а также широкое внедрение автоматики в производство сформировали почву для проектов по созданию искусственных рабов, способных трудиться наравне с людьми и даже превосходящих человека по силе и выносливости.

Впервые слово «робот» фигурирует в пьесе чешского писателя К. Чапека «P. У. P. (Рувимские универсальные роботы)». Автор удачного термина, как ни странно, не сам Карел Чапек, а брат писателя Йозеф. Карел предполагал назвать своих искусственных людей лаборжи, но название показалось ему слишком книжным. Тогда Йозеф, не проявивший особого интереса к пьесе, предложил наречь эти машины роботами от чешского «робота» — тяжелый труд.

Долгое время робототехника так и оставалась плодом фантазии писателей и киносценаристов. Лишь развитие компьютеризации позволило обеспечить программирование не только математических вычислений, но и рабочих процессов, которые были записаны в виде алгоритмов. Таким образом, эпоха роботов фактически началась лишь в 1950-е гг. Появление первых станков с числовым программным управлением (станков с ЧПУ) следует расценивать как приход на производство первых роботов.

Настоящие роботы вышли из лабораторий и попали на заводы только в 1970-е гг., во время компьютерного бума. Наиболее активно роботизация протекала в Японии, где в настоящее время робототехнику изучают в школах и высших учебных заведениях наравне с компьютерной грамотностью. Всего на японских предприятиях работает порядка 150 000 самых различных роботов. «Умные» машины осваивают многие другие сферы человеческой деятельности.

Они вскрывают кейсы и багажники машин, где может быть заложена бомба. Роботы трудятся в условиях, вредных и опасных для человека. Эти устройства обслуживают длинные конвейерные линии, выполняя рутинную и тяжелую работу. Отличительными чертами робота, не свойственными станкам с ЧПУ, являются высокая мобильность, способность активно перемещаться в пространстве во время работы, умение точно оперировать деталями и инструментами. Чтобы робот ловко обращался с инструментом и обрабатываемыми предметами, он нередко снабжается манипуляторами — механическими руками.

Эффективность работы современных манипуляторов настолько высока, что позволяет роботу на манер фокусника сложить карточный домик или пирамиду из куриных яиц, ловить бросаемый ему человеком мячик. Хотя, конечно, назначение робота состоит вовсе не в показе фокусов. Индустриальные роботы в большинстве случаев не похожи на людей. Они представляют собой мобильные устройства, приспособленные к выполнению разнообразных работ.

В числе последних достижений робототехники следует назвать: робота-свиноматку, заботящегося о поросятах; строительный комплекс, состоящий из нескольких роботов, выполняющих все строительные работы — от закладки фундамента до штукатурных и малярных; шагающих роботов для переноса малых грузов по пересеченной местности; автоматических сборщиков автомобилей и многих других.

Голливуд часто использует робототехнику для съемки фантастических фильмов. Роботы играют в большинстве случаев самих себя или монстров. С конца 1990-х гг. создаются первые образцы роботов-секретарей, способных выполнять разнообразную работу с персональным компьютером, офисной оргтехникой, заполнять типовые документы и бланки, отвечать по телефону в режиме автоответчика.

В будущем ожидается широкое применение робототехники в сфере космонавтики. Частые неисправности на орбите отнимают у космонавтов от 1/3 до 2/3 рабочего времени на ремонт. Предполагается, что в будущем космические путешественники станут затрачивать на ремонтные работы до 107 % рабочего времени и более, т. е. космические исследования станут нерентабельными. Ремонтно-монтажные роботы, для которых выход в открытый космос безопасен, займутся работами по починке обшивки летательного аппарата, наладкой и настройкой внешнего оборудования, выводом спутников, монтажом антенн и каркасных ферм, прочими работами.

Широкомасштабные исследования других планет могут выполняться исключительно роботами. Обычные автоматы для таких целей не подходят, т. к. космические исследования требуют от устройства наличия программного обеспечения и оснащенности сложными приспособлениями, включая манипуляторы и сенсорные датчики. Аппараты, снабженные таким оборудованием, перестают быть простыми автоматами и называются роботами.

Скажем, первый в истории марсоход «Соджорнер», совершивший свое путешествие по поверхности красной планеты в 1997 г. (отключился в марте 1998 г.), является типичным роботом. Одиннадцатикилограммовый аппарат был снабжен небольшим компьютером, который выполнял сразу несколько функций: помогал марсоходу ориентироваться, снимал местность, проводил физико-химические опыты и передавал собранную информацию на станцию, которая ретранслировала сообщения на Землю.

Некоторые люди всерьез опасаются восстания стальных рабов и уничтожения ими человеческой расы. По этой причине знаменитый писатель-фантаст А. Азимов даже сформулировал три правила, которые должны неукоснительно соблюдаться при конструировании роботов. Как всегда, реальность бесконечно далека от фантастики. Угроза со стороны роботов действительно существует, но она заключается вовсе не в надуманном покорении машинами мира людей. Робототехника опасна, причем иногда смертельно опасна, для здоровья людей.

Движения заводского робота слишком быстры и неожиданны для человека-оператора, который работает в паре с машиной и управляет рабочим процессом. Роботы наносят человеку травмы самыми разными способами — ударяют манипуляторами, переносимыми деталями, прижимают к стене грузом или корпусом во время разворота, поражают рабочим инструментом во время движений. Программные ошибки, повреждения в сети питания, перепады напряжения, воздействие радиоволн приводят к тому, что устройство нередко ведет себя непредсказуемо и совершает незапланированные движения в области, где должен в безопасности находиться рабочий.

Наконец, приводит к травмам и смертельным случаям на производстве нарушение техники безопасности со стороны самих работников. Первое убийство человека роботом произошло на японском заводе более 20 лет назад, в 1981 г. С тех пор смертность по вине роботов достигла в среднем 1,7–2 человека в год. Ежегодно роботы только в Японии становятся причиной 6 случаев травм.

У работников, обслуживающих роботов или выполняющих задание с ними в паре, развивается сильный стресс и наблюдаются заболевания, вызванные стрессовым состоянием, — нервозность, психические расстройства, нарушения сердечной деятельности, язвенная болезнь желудка. Причиной тому служит страх перед человекоподобным существом, обладающим колоссальной силой и явно превосходящим человека во многих отношениях. Рабочие боятся связанной с роботами безработицы, боятся отстать от робота, не могут расслабиться во время совместного выполнения задания.

Справедливости ради нужно сказать, что роботизация не привела к безработице, но скомпенсировала устранение ряда профессий появлением новых рабочих мест. Благодаря роботам человек получил возможность избавиться от необходимости возиться в грязи и бездумно завинчивать гайки.

Однако не стоит спешить избавиться от роботов. Нужно постараться приспособить их к ограниченным возможностям человека. В 1990 г. Международная организация труда (Швейцария) издала свод из 7 правил робототехники, которые непременно должны соблюдаться ради безопасности человека. Эти правила звучат следующим образом.

1. Назначение роботов, цель их создания — повышение благосостояния человека.

2. Робототехника может вытеснять человека только с опасных для него производств.

3. Программа робота включает в себя полное повиновение человеку, потому что машина не должна как-либо подавлять своего хозяина.

4. Ни под каким видом робот не должен причинять вред человеку, а в критических ситуациях машина обязана ценой собственной поломки обезопасить работника.

5. Замена человека роботом проводится только после получения согласия со стороны рабочего.

6. От инженеров требуется добиться обеспечения максимальной простоты управления роботом. Это устройство должно быть столь же легким в эксплуатации, как детская игра.

7. Необходимо запрограммировать робота на удаление по завершении задания, чтобы он не мешал людям и остальным роботам.

Несмотря на наше неумение обращаться с робототехникой, высокоавтономные устройства станут разрабатываться и дальше. Фантасты представляют нам мир будущего, где различные работы выполняют исполинские андроиды. Судя по всему, инженерам действительно придется разрабатывать гигантов для выполнения разнообразных задач.

В первую очередь таким машинам предстоит выполнять строительные работы и проводить космические исследования. Уже в конце 1980-х гг. американцы запланировали постройку исполинского шагающего робота для изучения марсианской поверхности, постройка которого начнется в ближайшие годы. Высота машины, которой заранее дали название — «Амблер», составит 7 м.

Но больше всего ученых привлекают не гиганты, а карлики, т. е. нанотехнологии. Нанороботы отличаются крайне малыми, микроскопическими размерами. Они по своему строению, поведению, формам активности и деятельности копируют настоящие микроорганизмы. Но если человек в большинстве случаев лишен возможности управлять бактериями и простейшими, то миниатюрная робототехника полностью подчиняется своему создателю. С помощью нанороботов можно будет изготавливать сложнейшие детали, проводить ремонт разнообразных устройств, исследование рабочих циклов механизмов, осуществлять тончайшие хирургические операции.