Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Что привело к падению галерей? Безусловно, вес людей на галереях стал одной из причин, но не было ли ошибки в самой конструкции? Через несколько дней после катастрофы в городской газете появилось сообщение о том, что во время строительства в проекте была изменена одна деталь. Галереи лежали на балках, а концы балок первоначально должны были быть подвешены на одном стержне, крепившемся к потолку. Гайки, навернутые на стержень, и шайбы, расположенные непосредственно под каждой галереей, держали бы вес своей галереи (рис. 1.17а).

Рис. 1.17 / Задача 1.47. Первоначальный проект (а) и измененная при строительстве конструкция крепления галерей (б).

Но, очевидно, кто-то из руководителей строительства решил, что такую систему подвешивания на одном стержне с несколькими участками резьбы сделать практически невозможно, и вместо одного стержня, который должен был пронизывать галерею насквозь, решил использовать два стержня (рис. 17б). Как такое простое и, казалось, оправданное изменение привело к гибели и тяжелым травмам такого количества людей, собравшихся отдохнуть и повеселиться в пятницу вечером?

ОТВЕТ • Рассмотрим крепление края самой верхней галереи. В первоначальном проекте вес этой галереи и людей, стоящих на ней, должен был удерживаться гайкой под ней, накрученной на стержень. А как обстояло дело в измененной конструкции, где использовались две гайки? На верхней галерее гайка, накрученная на стержень, который шел вниз, должна была выдерживать вес обеих нижних галерей со стоящими на них людьми. Что еще хуже, гайка, навернутая на стержень, идущий вверх, должна была выдержать вес всех трех галерей со стоящими на них людьми. Очевидно, когда на галереях оказалось слишком много народа, их вес сорвал или сломал одну из этих гаек, и вся конструкция рухнула. Маленькое изменение — трагические последствия.

Какова физическая причина обрушения башен-близнецов Всемирного торгового центра в результате атаки самолетами 11 сентября 2001 года?

ОТВЕТ • Существует два основных объяснения, почему рухнули башни-близнецы.

1. Удар самолета и загорание самолетного топлива вызвали пожар, и температура в этом месте превысила 800°C. Нагрев привел к уменьшению прочности вертикальных стальных колонн. В результате многие из этих колонн сложились, и верхние этажи рухнули на нижние. Даже если опоры нижних этажей и не нагрелись настолько, они все равно погнулись от сильного и резкого удара. И все этажи упали один на другой.

2. Удар самолета и возгорание самолетного топлива вызвали пожар, но несильный, и температура там была ниже той, при которой прочность вертикальных опор уменьшилась бы. (Некоторые исследователи заметили, что на этажах, куда врезался самолет, была не настолько хорошая вентиляция, чтобы раздуть большой пожар, да и количество дыма, вырывавшегося из пробоины, проделанной самолетом, указывало на то, что пожар был небольшой.) Но он привел к тому, что несколько перекрытий и расположенных под ними горизонтальных балок расширились, а поскольку они были закреплены, то могли расширяться только выгибаясь, вертикальные же опоры при этом вогнулись внутрь. Прогиб мог быть еще сильнее, если и горизонтальные балки, и вертикальные колонны размягчились из-за высокой температуры. Когда вертикальные опоры прогнулись внутрь, они уже не могли поддерживать верхнюю часть здания, и оно рухнуло.

Февраль 1955 года: парашютист прыгает с парашютом из самолета С-119 с высоты 370 м. Парашют не раскрывается, и десантник падает с этой высоты спиной в снег, оставляя за собой воронку глубиной 1 м. Его эвакуируют вертолетом в больницу, где у него обнаруживают лишь несколько переломов и синяков.

Март 1944 года: во время бомбового рейда над Германией сержант британских Королевских ВВС Николас Алкемэйд, стрелок бомбардировщика «Ланкастер», обнаруживает, что самолет горит, а до парашюта невозможно дотянуться. И он спрыгивает без парашюта с высоты 5,5 км, падает на кроны деревьев, а затем в снег, получив лишь царапины и синяки.

Вторая мировая война: лейтенант советских ВВС Иван Чисов принимает решение выпрыгнуть с парашютом из самолета, атакованного дюжиной «мессершмитов». Не желая стать мишенью для немецких стрелков, он намеревается раскрыть парашют не сразу, а после того, как минует вражеские самолеты. Падая с высоты 7 км, летчик теряет сознание. К счастью, он приземляется в снежное ущелье. Несмотря на довольно сильный удар, через 4 месяца он уже снова в строю.

Возможно, еще более невероятным был трюк, исполнявшийся Генри Ламоте в течение многих лет. Он прыгал с высоты 12 м плашмя в бассейн глубиной всего 30 см, ударяясь животом о воду с силой, в 70 раз превышающей вес его тела. (Трюк очень опасный, его нельзя повторять. Я слышал об одном молодом дурачке, который попробовал повторить трюк, и его парализовало от шеи до ног.)

В прессе часто пишут о других выживших при падении с большой высоты (и о многих других не выживших). Почему кому-то все же удается выжить?

ОТВЕТ • Смертельную опасность, естественно, представляет удар о землю (или о другую твердую поверхность), во время которого на человека действует огромная сила. Эта сила прямо пропорциональна импульсу, который падающий приобрел непосредственно перед ударом, и обратно пропорциональна длительности соударения. Импульс зависит от массы и скорости падающего. Если падение происходит с большой (порядка нескольких сотен метров) высоты, в какой-то момент он перестает ускоряться и летит дальше с так называемой терминальной (предельной) скоростью. Хотя притяжение Земли продолжает на него действовать, но оно уравновешивается сопротивлением воздуха, и ускорение становится равным нулю. Величина этой терминальной скорости зависит от позиции падающего: если он расставил ноги и руки, то сопротивление воздуха будет больше, чем если бы он падал ногами или головой вниз. Соответственно, в первом случае будет ниже и терминальная скорость. Однако в сам момент приземления после падения с большой высоты распластанная поза едва ли дает преимущества.

Длительность удара — более важный фактор. Если удар «жесткий», он может длиться от 0,001 до 0,01 с, и сила, останавливающая падение, наверняка приведет к летальному исходу. Но если соударение «мягче» (требуется больше времени, чтобы остановиться), останавливающая падение сила будет меньше. Падение в глубокий снег удлиняет процесс соударения настолько, что сила удара может уменьшиться до уровня, позволяющего выжить. Очевидно, 30 см воды оказывались для Ламоте достаточными, чтобы выжить при прыжках.

Люди, падающие головой вниз, гораздо реже выживают, чем при ином расположении, поскольку позвоночник, ствол головного мозга и сам мозг очень чувствительны к повреждениям.

Это случилось в апреле 1987 года во время очередного прыжка с парашютом. Парашютист Грегори Робертсон заметил, что член того же клуба Дебби Вильямс столкнулась с третьим парашютистом из группы, потеряла сознание и потому не может открыть свой парашют. Робертсон в этот момент был значительно выше Вильямс и сам еще не успел открыть свой парашют, прыгая с высоты 4 км. Он как-то умудрился подлететь к Дебби Вильямс, подстроившись под ее скорость, поймал ее и открыл сначала ее парашют, а потом и свой — максимум за 10 с до удара о землю. Вильямс получила значительные внутренние повреждения, поскольку в момент приземления не контролировала себя, но выжила. Как Робертсон смог догнать Вильямс?