Легко ли плыть в сиропе. Откуда берутся странные научные открытия
Однако в тех барах, где подают не разливное пиво, а бутылочное, ситуация иная. Во многих европейских странах – в Германии, Бельгии, Швейцарии – вам подадут не чахоточную бутылочку в 0,33 л, а полноценную полулитровую, которую к тому же используют многократно (а это значит, что она должна быть прочной, чтобы с гарантией выдерживать повторные циклы). Такая бутылка весьма увесиста – 400 г в пустом виде и 900 г с пивом внутри. Так что посетители этих баров располагают гораздо более весомыми аргументами, чем бокалы. А в Италии все еще серьезнее – пиво там часто разливают в бутылки емкостью 0,66 л. И вот возникает вопрос: какой пивной бутылкой предпочтительнее бить по голове, полной или пустой, если вы хотите просто вырубить оппонента, а не нанести ему тяжелую черепно-мозговую травму со всеми вытекающими последствиями?
Этот вопрос интересует не только обывателей, но и профессионалов, судмедэкспертов и патологоанатомов, которые постоянно имеют дело с такого рода травмами. Группа исследователей из Бернского университета во главе со Стефаном Боллигером пошла навстречу пожеланиям трудящихся и провела скрупулезное экспериментальное исследование этой проблемы, результаты которого опубликованы в журнале о судебной медицине – Journal of Forensic and Legal Medicine[11]. В 2009 году эта работа была увенчана Игнобелевской премией – что показательно, премией мира.
В чем состояла суть эксперимента? Чтобы получить полную картину соударения головы с бутылкой, в четырехметровой шахте смонтировали испытательный стенд. На дно поставили детскую ванночку – ее высокие бортики не позволяли осколкам разлететься. В ней лежала бутылка, на которую прилепили пластилиновую нашлепку – предполагалось, что она сымитирует амортизирующее действие кожи головы и волос. Наверху же, на определенной высоте (в ходе опытов ее меняли), закрепили устройство, способное бросать вниз килограммовый стальной шар, символизирующий череп собутыльника. В общем-то, в соответствии с принципом относительности Галилея, все равно – бутылкой ли бить по голове, или головой (даже если в ее роли выступает стальной шар) по бутылке. Главное – относительные скорости движения этих объектов, которые и обеспечивают приобретение ими кинетической энергии, той самой, что при столкновении превращается в энергию разрушения. Цель же опыта была проста: определить, при какой энергии удара бутылка разобьется.
Исходя из общих соображений, можно ожидать, что полная бутылка разобьется при более сильном ударе, ведь внутри нее находится жидкость, которая должна взять на себя часть энергии удара. Но в науке, как и в жизни, очевидные ответы, полученные из общих соображений, зачастую оказываются неверными. Вот и в этом случае действительность опровергла очевидную гипотезу: полная бутылка разбивалась при энергии 30 джоулей, а пустая – при 40 джоулях. В поисках объяснения экспериментаторы предположили, что все дело в углекислом газе, которым насыщено пиво: от удара пиво вскипает, и выделяющийся газ создает резко возрастающее давление. В принципе это предположение не лишено смысла. Многие хоть раз да становились жертвами невинного фокуса: по только что открытой бутылке пива снизу в донышко несильно бьют другой бутылкой, а затем сразу – ею же сверху по горлышку. В получившийся пенный фонтан может утечь до половины содержимого. Впрочем, есть и другое объяснение. Жидкость – вещество несжимаемое, поэтому малейшая деформация бутылки сразу порождает в ней напряжение, переходящее в разрушение.
В общем, выходит, что, хоть полная бутылка и тяжелее, удар от нее менее сильный, поскольку она разобьется при меньшей нагрузке, чем пустая. Однако для участника барного диспута эти тонкости не так уж важны, ведь череп ломается при энергии удара от 14 до 68,5 джоуля, в зависимости от того, в какую точку попал весомый аргумент. А стало быть, серьезные травмы можно нанести как пустой, так и полной бутылкой.
Полученные результаты льют пиво – извините, воду – на мельницу тех законодателей, которые стремятся сделать пивную тару как можно меньше. Получается, что данная мера вполне оправданна: она не только сдерживает развитие алкоголизма путем сокращения потребления пенного напитка, но и смягчает последствия, если пива все же будет выпито достаточно для драки.
Можно ли ходить по воде?
Вопрос интересный, хотя большая часть людей уверена, что знает ответ на него. "Конечно можно", – скажут они и в подтверждение своих слов сошлются на широко известный исторический прецедент, описанный в одной из самых авторитетных в мире книг. Но ученые не склонны принимать что-либо на веру и не признают авторитетов, они норовят все проверять, причем экспериментально. Именно это сделала группа исследователей во главе с Юрием Иваненко[12] из римского Института госпитализации и научного ухода за пациентами, которые стали лауреатами Игнобелевской премии по физике за 2013 год. Допускаем, что двигало ими не только любопытство, но и чувство обиды. В самом деле, какие-то ничтожные водомерки легко скользят по водной глади. Да что там водомерки, вполне себе увесистая ящерица василиск умеет бегать по воде, а человек – царь природы, как кажется, – лишен такой возможности, в чем может убедиться каждый на собственном опыте.
Но не будем раньше времени посыпать голову пеплом. Давайте лучше разберемся в физике явления. Вода может удерживать на поверхности бегущее тело за счет двух сил. Первая – сила поверхностного натяжения. Именно ее используют водомерки, которые не только прекрасно скользят по водной глади, но и могут застывать на месте. Эта сила применима к существам легчайшим. Другая сила гораздо сложнее, она существует только в динамике – с ее помощью на воде не постоишь. А порождает ее вязкость, которая препятствует телу погружаться в жидкость. Величина этой силы зависит от множества факторов, но главнейший из них – скорость, с которой движется тело. Чем больше скорость, тем труднее телу утонуть. Посмотрим на василиска. Эта ящерица, весящая десятки граммов, не тонет потому, что отважно семенит задними лапками с частотой 7 Гц – семь движений в секунду. Молодые ящерицы так пробегают 300–400 м, а чем старше и, стало быть, тяжелее ящерица, тем менее уверенно она это делает. Приведем еще пример: западноамериканская поганка, крупная (полтора килограмма) птица, пробегает по воде сравнительно небольшую дистанцию – десяток-другой метров, причем исполняет сей трюк в качестве брачного танца.
Человеку этот трюк выполнить тяжело по трем причинам. Во-первых, у нас слишком маленькие ступни. Во-вторых, мы относительно тяжелые, что в сочетании с маленькой площадью опоры порождает большое давление на поверхность воды. И, наконец, мы слишком медленно семеним ногами, хотя это дело индивидуальное и к тому же зависит от тренировки.
Площадь опоры экспериментаторы увеличили с помощью небольших ласт. Для уменьшения веса сконструировали специальное пневматическое устройство со стропами типа парашютных, на которые подвешивали испытуемого. Устройство позволяло регулировать вес человека в пределах 10–25 % от обычного. А для исключения индивидуальных особенностей пригласили группу добровольцев из шести спортивных молодых людей.
Исследования, понятное дело, проводили в бассейне, заполненном водой. Испытуемого, обутого в ласты, подвешивали на стропах над поверхностью воды, устанавливали вес, после чего он начинал быстро семенить ногами так, чтобы ступни не погружались в воду. Полагаем, все участники эксперимента, а также зрители от души повеселились в ходе его выполнения.
Шутки шутками, но в ходе эксперимента получили важные практические результаты. Оказалось, что на Энцеладе, спутнике Сатурна, с гравитацией примерно 0,1 от земной бегать по воде не только возможно, но даже совсем легко: все шестеро участников сумели не утонуть. На Луне (0,16 g) с задачей справились четверо участников. На Ио, спутнике Юпитера, с 0,19 g половине пришлось трудно. Ну а пределом оказалась гравитация 0,22 от земной – лишь один участник сумел удержаться на воде. Тут все уперлось в частоту движения ног. У испытуемых, даже тренированных, она составляла всего 1,5–2 Гц, до василиска далековато.
Этот эксперимент показал, что по лунным морям, когда их зальют водой, колонисты бегать смогут. Но неужели этого никогда не удастся сделать на Земле? Почему бы и нет: немного смекалки – и решение задачи можно найти, не прибегая к мистическим процедурам. Это сделали Пар Один Лотман и Энди Руина из Аландского университета прикладных наук (Финляндия). Они построили в бассейне плавучую дорожку из деревянных щитов, каждый площадью один квадратный метр. Если человек вставал на такой щит, он непременно тонул. Но вот если бежал… Если человек бежал аккуратно, приноровившись наступать в центр щита, тогда он успешно пробегал от одного конца бассейна до другого, лишь замочив ноги.
В общем-то, северные рыбаки порой так и поступают, когда надо преодолеть участок раскрошившейся льдины. Тут главное – делать все быстро и не останавливаться. Наверное, надев на ноги такие щиты – те же ласты, только большие – и потренировавшись, можно приспособиться и к водному бегу на длинные дистанции без всяких предварительно приготовленных дорожек. Кстати, сейчас опыт финских исследователей взяли на вооружение аниматоры в южных отелях – бег по настеленной на поверхности бассейна дорожке неизменно привлекает множество любителей экзотических видов спорта.
Тема бега по воде сильно занимает создателей роботов. Первого из них, способного передвигаться по воде, в 2008 году сделали Парк Хюн Су, Стивен Флойд и Метин Сети из питтсбургского Университета Карнеги – Меллона. Робот весил 60 г, имел четыре ноги, а его ступни при вытаскивании из воды складывались, чтобы уменьшить сопротивление, – именно так бегает птица поганка. Если робот бежал слишком быстро, он опрокидывался – сказывался малый момент инерции, а увеличить его нельзя, иначе вода не удержит. При малой скорости робот тонул. Оптимальным оказался интервал 7–12 Гц – как у василиска, тем более что и весит робот примерно столько же. Еще исследователи отметили неустойчивость в движении робота в случае, если он шел иноходью. В 2013 году сотрудники Академии наук КНР во главе с Сюй Линьсэнь сделали двуногого робота весом 320 г, но они пошли на хитрость – ступнями ему служили пенопластовые пластинки. Шестиногий робот, сделанный в Южной Корее в 2015 году, также бегал на поплавках, причем одинаково успешно по суше и по воде – скорость достигла полуметра в секунду. Нельзя сказать, что это честное соревнование – поплавки были такими большими, что робот не тонул, даже неподвижно стоя на воде.
Эти роботы, так же как и новинка 2015 года – робот-водомерка, представляют собой копии живых существ. Однако успешные технические устройства, как правило, аналогов в природе не имеют, вспомним изобретение колеса. Именно такой, неизведанный путь выбрали исследователи из Университета Триеста во главе с Паоло Галлиной: они решили сделать прыгающего водяного робота. Прототипом послужил тренажер-"кузнечик", или PoGo Stick (палка от компании Полманна и Гоппеля). В сущности, это действительно палка. Наверху у нее ручка, в нижней части – платформа для ног, а еще ниже расположена пружина. Стоя на платформе, человек своим весом давит на пружину, она создает обратный импульс, за счет чего совершаются прыжки.
Но как "кузнечик" сможет прыгать по водной поверхности? При большой скорости движения и вода будет твердью. Исследователи сделали нижний наконечник палки в виде конуса: чтобы легко входил в воду, быстро тормозился и так же легко выходил из нее. И оказалось, что при правильном сочетании угла конуса и жесткости пружины такой "кузнечик" скакал по воде. В опытах "кузнечика" весом полтора килограмма бросали в воду, и двигатель начинал работать как человек, периодически давя на пружину. Устройство держалось на поверхности воды в течение 45 секунд, а потом все же тонуло, но лиха беда начало.
Как видно, раз счет пошел уже на килограммы, значит, прогресс налицо. Поэтому не исключено, что по лунным озерам мы действительно будем бегать, а по земным – все-таки скакать.
Тема взаимодействия движущихся живых существ с водной стихией поистине неисчерпаема. Тут достаточно только немного задуматься, и вопросы посыплются сами как из рога изобилия. Например, как комар летает в дождь? Его решением озаботился доцент Дэвид Ху из Технологического института Джорджии. Конечно, подобно многим, он мог бы пойти по пути наименьшего сопротивления, вспомнить про одного изворотливого политика, который, согласно народной молве, не пользовался зонтиком, потому что обладал способностью просачиваться между струйками дождя[13], и на этом закрыть вопрос. Не таков доцент Ху, который докапывается до самой сути явления. В самом деле, какое тут просачивание между струйками? Огромные, страшные капли падают на хрупкое комариное тельце подобно камням хмепа – хаотического метеоритного потока, с которым столкнулся знаменитый звездопроходец, капитан дальнего галактического плавания, охотник за метеорами и кометами Ийон Тихий[[14] ] во время путешествия на планету Интеропию. Ардриты, ее обитатели, для уменьшения последствий стихийного бедствия придумали технологию дупликации объектов, которую активно использовали. В частности, с помощью этой технологии восстановили самого Ийона Тихого, в которого попал метеорит (после он нашел в своем носке свежую стружку от упаковки). А вот комару на дупликатор рассчитывать не приходится – не создали комары цивилизацию, подобную ардритской. Как он, без всяких технических средств, рассчитывая только на себя, выживает в дожде?
Между прочим, этот вопрос волнует не только комаров – прогресс робототехники настолько стремителен, что в ближайшем будущем можно ожидать массового производства миниатюрных летающих роботов, которые будут помогать солдатам на поле битвы, а спасателям – при поиске жертв в завалах. Очевидно, что такое чудо техники, размером как раз с некрупное насекомое, должно уметь летать во время дождя. Но как? Может быть, комар обладает датчиками, которые позволяют ему обнаружить воздушную опасность и изменить траекторию полета? Может, и роботов нужно оснастить такими датчиками для решения проблемы?
Для поиска ответа исследователи соорудили пластиковую емкость, в которую посадили несколько комаров, настроили высокоскоростную видеокамеру, а затем стали имитировать дождь с помощью душа. Для контроля они впоследствии провели и полевые испытания, изучив полет комаров, живущих на воле. Как оказалось, насекомое не обладает феноменальной чувствительностью к приближающейся сверху опасности и не уворачивается от капель, а, напротив, встречает удар судьбы без малейшего сопротивления. Это его и спасает, наряду с малой массой и крепостью хитиновой оболочки – наружного скелета. "Сила удара зависит от силы сопротивления. Комар же, попав на нижний край капли, к ней прилипает и начинает падать вниз", – поясняет аспирант Эндрю Дикерсон, непосредственно проводивший наблюдения. А что же дальше? Ведь падая со скоростью капли, можно и в землю врезаться – тогда уж точно останется одно мокрое место. Для своего спасения комар проявляет полную непотопляемость: загребая длинными лапками и крыльями, он переползает с нижнего края капли на верхний и взлетает, чтобы снова продолжить лавирование между струйками дождя.
Раз уж речь зашла о комарах, немного отвлечемся и попробуем поискать ответ на вопрос: может ли современная технология помочь в борьбе с этими надоедливыми насекомыми? Конечно, химия снабдила нас таблетками, создающими отпугивающий комаров дым, биология придумала ловушки, завлекающие комаров в свою утробу всякими приятными для них запахами вроде аромата человеческого пота. Однако есть тут неприятность: все это оружие, так сказать, массового поражения. Оно действует на всех комаров, даже тех, которые совершенно не угрожают человеку; страдают от него и невинные добродушные насекомые, которые, может быть, и не покусились бы на человеческую кровь. Тем более что половине из них кровь-то как раз и не нужна – комары-самцы обходятся без нее. И вот для изготовления такого избирательного оружия, соответствующего принципам гуманизма, на помощь приходят физики.
Вспомним Стратегическую оборонную инициативу президента США Рональда Рейгана, знаменитую СОИ, названную еще "программой звездных войн". Суть этой инициативы 1980-х годов – размещение в околоземном пространстве лазеров, которые станут воздействовать на баллистические межконтинентальные ракеты, вышедшие за пределы атмосферы, меняя их траекторию, и таким образом обеспечат полную защиту от ядерного нападения. Но ведь это именно то, что нужно: найти комариху в момент атаки, сбить ее и только ее. И США, и СССР на эту программу потратили много денег, но результата не получили: уж слишком мощный лазер требовался для успешной работы системы. Но вот американский физик и инженер Джордин Кэр, занимавшийся лазерными двигателями, предложил-таки уже в XXI веке использовать давние наработки и организовать систему противомоскитной обороны[15].
Комар – не ракета, его вес и скорость гораздо меньше. Поэтому сбить насекомое можно недорогим лазером, который продается чуть ли не в магазине. Еще для этой системы нужны также имеющиеся на рынке набор оптических элементов и акустические датчики: первые фокусируют луч, а вторые наводят его на источник ненавистного комариного писка. По мнению Кэра, чувствительность системы столь велика, что она может стрелять прицельно в комарих-кровососок, безобидных же комаров лазерный луч не коснется: тембр писка у них различается. Не станут объектом упреждающей атаки и жужжащие насекомые – так удается сэкономить немало энергии. Более того, система распознаёт человека и всяких домашних животных: даже если они окажутся на линии прицеливания, лазерный луч не причинит им никакого вреда.
Это предложение отнюдь не было воспринято как очередная футуристическая фантазия: ему оказали поддержку финансисты из компании Intellectual Ventures, которую основал бывший главный технолог компании Microsoft Натан Мирволд. Видимо, окрыленный таким вниманием, Кэр надеялся на расширение проекта и мечтал о подвешенной на аэростате платформе с лазерными пушками, которые прицельно палят по летучим вредителям полей и огородов, защищая таким образом сельхозугодья без вреда для полезных насекомых вроде пчел и шмелей. И всё без единого грамма ядохимикатов!
На наш взгляд, эта работа вполне соответствует уровню Игнобелевской премии, причем сразу по нескольким номинациям – энтомологии, физики и мира. Но Кэру ее почему-то не присудили, впрочем, решения Игнобелевского комитета, равно как и Нобелевского, не всегда находят рациональное объяснение.
Легко ли плыть в сиропе?
Итак, с бегом по воде и пролетом сквозь струйки дождя разобрались. А как насчет плавания в сиропе? Где человек поплывет быстрее – в сладкой воде или в обычной? Ответ на этот вопрос нашли Эдвард Касслер и Брайан Геттельфингер с кафедры химического машиностроения и материаловедения Миннесотского университета, что принесло им, помимо морального удовлетворения от прекрасно выполненной работы, еще и Игнобелевскую премию по химии за 2005 год.
Как отмечают сами лауреаты в своей эпохальной статье[16], один из них принимал участие в отборочных олимпийских соревнованиях по плаванию и там случайно заметил, что в соленой воде плавать легче. К слову сказать, нам этот феномен объясняли где-то в седьмом классе на уроках физики, когда изучали закон Архимеда, но то нам, а бедолагам-американцам до всего приходится доходить своим умом и на собственном опыте.
В соленой воде из-за увеличения плотности растет выталкивающая сила Архимеда, так что на воде держаться действительно легче. Но из этого отнюдь не следует, что в соленой воде легче, а главное, быстрее плыть, чем в пресной, поскольку у соленой воды не только плотность, но и вязкость выше, чем у пресной.
По признанию лауреатов, в их лаборатории шли жаркие, неутихающие дискуссии о влиянии вязкости на скорость плавания. Единства мнений не было – все участники прений разбились на три группы. Большинство, в основном специалисты по динамике жидкостей, утверждали, что человек поплывет медленнее, ведь на преодоление сопротивления более вязкой жидкости нужно тратить больше усилий. Другие возражали: человек при гребке толкается руками, чем создает тягу, стало быть, чем плотнее жидкость, тем более мощным выходит толчок. Третьи же предполагали, что эти эффекты компенсируют друг друга, отчего плавать в соленой воде не легче и не тяжелее, чем в пресной.
Видимо, обсуждение этого животрепещущего вопроса перешло в такую бурную стадию, что Касслер и Геттельфингер для примирения сторон решились на постановку натурного эксперимента. От соленой воды отказались по той причине, что увеличение ее вязкости относительно невелико и эффект, если он будет обнаружен, мог попасть в коридор ошибок. Нужно было радикальное увеличение вязкости раствора – так родилась идея сладкого сиропа, вероятно, во время поедания блинчиков с кленовым сиропом.
Но тут возникли две технические проблемы. Для надежного измерения скорости плавания дистанция должна быть достаточно большой, как минимум 25 м или ярдов, так как дело происходило в США. А это полноценный плавательный бассейн для соревнований. Причем желательно иметь два таких бассейна, один с сиропом, другой – с обычной водой, чтобы проводить сравнительные испытания в идентичных условиях. А еще лучше – несколько плавательных бассейнов разного объема, чтобы избежать влияния глубины на скорость пловца. То, как удалось исследователям уговорить администрацию выделить им университетский плавательный комплекс для проведения эпохального эксперимента, навсегда осталось загадкой.
Вторая проблема – сладкий состав для плавания. Первым на ум пришел кукурузный сироп. Нашлись и спонсоры, готовые предоставить необходимую для эксперимента тысячу тонн этого вещества, благо его производят и потребляют в США в немереных количествах. Но смыв такого объема сладкого сиропа в канализацию вызвал бы локальную экологическую катастрофу, кроме того, плотность кукурузного сиропа существенно отличается от плотности воды, что непременно исказило бы результаты эксперимента. В конце концов решили использовать природный гелеобразователь – гуаровую камедь. Это вещество часто используют в кулинарии и пищевой промышленности, то есть для человека оно безопасно. Итак, 320 кг камеди растворили в 650 кубометрах воды бассейна, получив концентрацию 0,05 %. Плотность сиропа осталась на уровне плотности воды, а вязкость выросла в два раза.
С чем не возникло никаких проблем, так это с пловцами-добровольцами. Какой студент откажется от возможности принять участие в таком прикольном эксперименте и сделать селфи в бассейне с сиропом? После строгого отбора сформировали команду из десяти пловцов. Каждый из них сначала проплывал 25 ярдов в бассейне с тысячей кубометров чистой воды, спустя три минуты – два раза по 25 ярдов в экспериментальном бассейне и затем, приняв душ, еще 25 ярдов в таком же бассейне с чистой водой. Фиксировали не только скорость, но и такие детали, как время отталкивания от стенки и количество гребков. Результат получился однозначный: вязкость на всем этом никак не отражалась.
Этому было дано вполне научное объяснение. Влияние вязкости на движение чего-нибудь в жидкости передается числом Рейнольдса – произведением характерного размера на скорость движения, отнесенную к вязкости. Для человека оно достигает значения 600. Это значит, что для пловца главное – силы инерции, а не силы вязкости. И жидкость обтекает его тело не ламинарно, а турбулентно, то есть с завихрениями. При таком режиме затрачиваемые усилия пропорциональны квадрату скорости, вязкость же отвечает лишь за 10 % затрат энергии пловца. Вот если бы вязкость увеличить в тысячу раз – в таком сиропе плыть было бы труднее, чем в воде, но, с другой стороны, и толкаться было бы проще. А какой фактор пересилит, так и не удалось выяснить в ходе эксперимента, видимо, вследствие заботы о судьбе канализации в спортивном сооружении.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
Сноски
1
Гаспаров М. Л. Занимательная Греция: Рассказы о древнегреческой культуре. – М.: Новое литературное обозрение, 2000. – С. 91.
2
В англ.: Ig Nobel Prize, игра слов: ignoble – "неблагородный". – Прим. ред.
3
Плутарх. Застольные беседы / Пер. Я. М. Боровского. – М.: Мир книги, 2007.
4
Абрахамс М. Шнобелевские премии. – М.: АСТ, 2006; Абрахамс М. Шнобелевские премии-2. – М.: АСТ, 2009; Абрахамс М. Это невероятно! Открытия, достойные Игнобелевской премии. – М.: Лаборатория знаний, 2020.