Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

В велогонках есть соревнование под названием «быстротечный одиночный заезд на скорость на дистанции 200 метров». Гонщик набирает скорость еще до запуска секундомера. Мировой рекорд в таком заезде, на момент написания этой книги, принадлежал французскому велогонщику Франсуа Первису и равнялся 9,347 секунды. То есть гонщик ежесекундно преодолевает 21 метр, что эквивалентно примерно 76 километрам в час. Чтобы велогонщик прошел на этой скорости вираж велотрека, дорожка должна давить на него внутрь почти с той же силой, с какой толкает его вверх. Франсуа Первис придавливался к дорожке с силой, почти вдвое превышающей обычную силу земного притяжения.

Как было показано в главе 2, постоянная фоновая сила наподобие силы земного притяжения применяется во многих областях нашей жизни, причем некоторые из них (например, сепарация сливок) насчитывают не одну сотню лет. Однако неплохой альтернативой таким силам может служить вращение. Вам не нужно отправляться на другую планету, чтобы воспользоваться преимуществами повышенной гравитации. У велогонщиков, проносящихся по верхнему краю трека, почти всегда есть возможность удвоить свою результирующую силу гравитации, но даже самые быстрые велогонщики в мире достигают «всего лишь» примерно 80 километров в час. Теоретически вы можете двигаться еще быстрее, испытывая на себе действие все больших сил.

Вспомните, как в главе 2 мы говорили, что гравитация помогает каплям сливок отделиться от остального молока и подняться к горлышку бутылки. Если сила, тянущая молоко вниз, будет по крайней мере такой же, как сила земного притяжения, то для отделения сливок от молока понадобится всего два-три часа. Но если молоко поместить в длинную трубку и заставить ее вращаться с высокой скоростью, то сила вытягивания, направленная наружу, окажется настолько большой, что сливки удастся отделить от остального молока буквально за несколько секунд. Именно на этом принципе основано действие современных молочных сепараторов – мы не можем сидеть и ждать, пока сливки отделятся от остального молока сами по себе. У современной пищевой промышленности нет времени на подобную роскошь. Вращение чего-либо создает тянущую силу, которая может быть сколь угодно большой – для ее увеличения нужно лишь повышать скорость вращения. На этом принципе основано действие центрифуги, то есть вращающейся «руки», которая держит контейнер с интересующим нас объектом. В ходе очень быстрого вращения «руки» этот объект, испытывая на себе действие огромной силы, буквально расплющивается о наружную стенку контейнера.

Внутренние силы, возникающие во время вращения, можно сделать настолько мощными, что компоненты, которые ни за что бы не удалось разделить лишь за счет силы тяжести, с их помощью можно отделить друг от друга. Например, если вы когда-либо сдавали кровь на анализ на малокровие, то вам, наверное, будет интересно узнать, что лаборанты поместят ее в центрифугу, которая вращается с такой большой скоростью, что сила, воздействующая на пробу крови в центрифуге и направленная наружу, примерно в двадцать тысяч раз превышает силу земного притяжения. Красные кровяные тельца чересчур малы, чтобы отделять их в обычных условиях только за счет силы тяжести, однако они не в состоянии противостоять силам, создаваемым центрифугой. При обработке в центрифуге достаточно всего пяти минут, чтобы почти все красные кровяные тельца вытянуть из центра центрифуги наружу, в нижнюю часть трубки. Красные кровяные тельца обладают большей плотностью, чем жидкость, в которой они содержатся, поэтому первыми попадают в нижнюю часть трубки. А после того как они там окажутся, трубку можно вынуть из центрифуги, чтобы непосредственно измерить содержание красных кровяных телец в вашей крови: для этого нужно измерить толщину самого нижнего слоя в трубке. Это очень простой тест, который может указывать на наличие определенных проблем со здоровьем; также он используется для взятия проб на допинг у спортсменов. Если бы не силы, создаваемые вращением, выполнить такое измерение было бы гораздо труднее и обошлось бы оно намного дороже. Применить эти силы можно к объектам побольше, чем пробы крови. Одна из крупнейших центрифуг в мире предназначена для вращения человека.

Многие из нас завидуют астронавтам, которые за время пребывания на борту космического корабля получают незабываемые впечатления: могут наблюдать нашу прекрасную планету из космоса, проводить потрясающие научные эксперименты и даже выходить в открытый космос, а после возвращения на Землю рассказывать всевозможные забавные истории из жизни обитателей космической станции и выслушивать слова восхищения в адрес обладателей самой необычной и трудной профессии в мире, доступной лишь немногим избранным. Но спросите у людей, в чем основная причина такой зависти, и чаще всего услышите в ответ: невесомость. Возможность свободно плавать в пространстве, где отсутствуют такие понятия, как «верх» и «низ», и где вы не испытываете чувства тяжести своего тела, как правило, приводит людей в восторг. Именно поэтому людям прежде всего кажется странным, что в процессе подготовки астронавтов так много внимания уделяется решению обратной проблемы: умению справляться с воздействием на человеческий организм сил, намного превосходящих силу земного притяжения. Единственный (по крайней мере на данный момент) способ доставить человека в космос – это усадить его в ракету, которая способна преодолеть силу гравитации за счет движения с огромным ускорением. Еще более сложную проблему приходится решать при возвращении космического корабля на Землю: его вхождение в земную атмосферу может создавать силы, в четыре-восемь раз превосходящие силу гравитации. С воздействием примерно аналогичных сил приходится справляться пилоту современного истребителя, совершающего фигуры высшего пилотажа на огромной скорости. Если во время подъема в скоростном лифте вы испытываете легкий приступ тошноты, можно с уверенностью сказать, что профессии военного летчика и астронавта не для вас. В зависимости от направления дополнительных сил ускорения происходит либо резкий прилив крови к мозгу, либо резкий ее отток от мозга, причем порой и тот, и другой настолько сильные, что могут разрушить мельчайшие кровеносные сосуды (капилляры), пронизывающие кожу человека. Последствия подобного разрушения бывают не самыми приятными. Но люди способны не только пережить воздействие таких сил, но и работать при этом. Именно эти испытания выпадают на долю астронавтов при возвращении космического корабля на Землю. И чтобы астронавты с честью их преодолевали, необходимы упорные и продолжительные тренировки на земле.

Все нынешние астронавты и космонавты проводят много времени в Центре подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина, расположенном в Звездном городке на северо-востоке от Москвы. Среди многочисленных лекционных залов, помещений с медицинским оборудованием и макетов космических кораблей вы обнаружите центрифугу ЦФ-18. Из центра огромного круглого зала тянется 18-метровая стрела центрифуги. Капсулу, закрепленную на конце стрелы, можно заменять в зависимости от того, что испытывается в том или ином случае. Тест, который предстоит пройти кандидату на полет в космос, сводится к следующему: его усаживают в капсулу центрифуги, после чего стрела начинает вращаться со скоростью один оборот за каждые две или четыре секунды. Такая скорость вращения на первый взгляд не слишком впечатляет, но, выполнив несложные подсчеты, можно выяснить, что сама капсула при этом движется по кругу со скоростью либо 190, либо 95 километров в час. Как только станет понятно, что кандидат на полет в космос способен выдержать такие условия, ему предлагают выполнять в них ту или иную работу. При этом непрерывно отслеживается состояние его организма. Тестирование на центрифуге проходят не только будущие космонавты, но и будущие летчики-испытатели, а также летчики современных истребителей. На центрифуге может попробовать свои силы любой желающий – если, конечно, в состоянии выложить за это кругленькую сумму. Следует лишь иметь в виду, что испытание на центрифуге вызывает не самые приятные ощущения. А если точнее, то очень неприятные. Но если вы хотите проверить себя на прочность воздействием очень большой силы, то лучшего способа, чем испытание на центрифуге, не найти.