Александр Помогайбо - Тайны великих открытий

Конструкторы Ил-2 учли свойства ударной волны — но, к сожалению, не учли в полной мере другого физического принципа, и очень важного, — центра тяжести. Летчики столкнулись с тем, что прицельная очередь уходила ниже цели. При исследовании выяснилось, что виноват длинный магазин к авиационной пушке. Самолет стрелял в наклонном положении, магазин опустошался, центр тяжести самолета менялся, и нос опускался вниз. Немного, но достаточно, чтобы сбить прицел. Пришлось менять пушку — на ту, для которой снаряды располагались в крыле.

Хотя понятие "центр тяжести" занимает относительно небольшое место в учебниках физики, в технике оно играет огромную роль. О связанных с центром тяжести причудах техники можно написать отдельную книгу; мы ограничимся только несколькими примерами.

Перед Первой мировой войной на вооружение русской армии поступила "горская шашка". Автор ее, Горский, решил сделать шашку, которой можно было бы и колоть, и рубить. Шашка была изогнутой, как и прочие шашки, но рукоятка и кончик шашки находились на одной оси, что позволяло вонзать оружие в противника.

Однако в армии шашку сочли неудобной, и от нее со временем отказались. Что же было причиной неудобства? Изгиб шашки был впереди ее оси, а это значит, что центр тяжести тоже располагался впереди оси, хотя у шашки центр тяжести должен быть сзади. Вспомним топор с его изогнутым назад топорищем. То, что центр тяжести у топора находится позади, позволяет легко его направлять.

По сути, объединив шашку и палаш, Горский произвел "анализ функций" — но не сделал анализа физического принципа. Потому-то идея и оказалась негодной.

Там, где может вмешаться физический принцип, надо: 1) точно его определить; 2) подробно расписать все формы проявления этого принципа; 3) найти потенциально опасные или полезные формы; 4) привлечь уже известные принципы для борьбы с опасными формами и использования полезных.

Пример — задача уменьшения ущерба от землетрясений.

Первый этап. Сейсмическая волна — это такая же волна, как и всякая другая. Физический принцип явления — распространение волны.

Второй этап. Формы проявления волновых свойств — наложение и вычитание, огибание, пучности и узлы, резонансные и колебательные свойства, отражение, изменение угла и скорости при переходе сред.

Третий этап. Пытаемся найти среди форм проявления физического принципа потенциально полезные. К примеру, возьмем колебательные свойства.

Четвертый этап. Минареты в Средней Азии строят с полукруглым фундаментом, который покоится на полукруглом ложе. Между ложем и фундаментом есть слой из сухих веток. Приняв удар, минарет отклоняется, а затем, колеблясь, постепенно освобождается от энергии. Тогда как энергия волны с кнута срывается с резким щелчком, минарет, став резонансной системой, становится ловушкой для волны. Колебательные свойства сейчас используется при строительстве японских небоскребов (хотя вряд ли японские строители позаимствовали этот метод в Средней Азии).

Можно на третьем этапе выбрать другую форму — "отражение". Мы знаем, что волны отражаются от поверхностей. Это значит, что зданию мало что будет грозить, если оно будет покоится на массивной плите. Сейсмическая волна отразиться от плиты. Не в этом ли заключается разгадка тайны баальбекских плит? В Баальбеке храмы наверняка строили навечно.

Можно на третьем этапе выбрать и "наложение". Вспомним, как морские волны, дойдя до волноломов, меняют направление и начинают друг друга гасить. Полагают, что подобный принцип использовали древние зодчие. Иначе не объяснить уходящие глубоко в землю стены, сужающиеся к концам. Волны, накладываясь друг на друга в здании, могут вызвать негативный эффект. Значит, стенам здания нужно придать одинаковую толщину, а само здание не должно менять профиль по ходу распространения волны (то есть у большого здания не должно быть маленьких пристроек).

Анализ физических принципов подразумевает и анализ формул. Наверняка при слове "формулы" у читателя свело or скуки скулы — но вспомните, как в "Букинисте" вы листали книгу "Космонавтика" и обливались слезами — как же все это безумно интересно! Сухие формулы, которые вам приходилось зубрить в институте, обрели плоть и кровь. Как оказалось, с их помощью можно рассчитать фотонный двигатель, космический парус и еще много чудесных вещей. Почему же в институтах, думали вы, эти формулы не привязывали к конкретным интересным проектам, чтобы оживить этим непонятные криптограммы?

Мы не сделаем этой ошибки. Мы "привяжемся" к конкретным случаям.

Начнем с космонавтики.

1. Существуют проекты ионного, электрического, магнитоэлектрического и других двигателей. Их изобретатели предлагают на этих двигателях долететь до Марса, Венеры, Юпитера и так далее. Но мы знаем, что для полета на Марс требуется скорость не меньше второй космической. Потому и летают на жидкостных ракетах. На ионах и электричестве такой скорости не разовьешь…

Или разовьешь? Формула скорости V=at; время t у нас бесконечно. Достаточно небольшого, буквально микро-скопического ускорения а, чтобы со временем ракета разогналась до ураганных скоростей. Проблема лишь в том, чтобы все долгое время разгона это ускорение оставалось. Изобретателю следует продумать, как он будет получать ионы — от Солнца, батареи или от чего-либо еще.

Этим примером мы хотели продемонстрировать присутствующую в большинстве формул ПРЯМУЮ ЗАВИСИМОСТЬ. Она не так проста, как это кажется на первый взгляд. Непростой ее делают составляющие формулу элементы.

Приглядитесь к формуле V=at. Какими разными являются ее составляющие! Время t увеличивается, оно полно жизни, динамики, развития, энергии. Ускорение же а — это всего лишь коэффициент между скоростью и временем. Оно мертво, безжизненно и, как космос, холодно. Время увеличивается само; чтобы увеличить а, надо много потрудиться.

Чуть изменим формулу, представив ее в следующем виде: a=V/t. Из этой новой формы, похоже, следует, что ускорение само уменьшается со временем. Ух, как интересно! А не открыли ли мы какую-нибудь новую закономерность?

К сожалению, не открыли. Скорость V в данной формуле — это не мертвый коэффициент. Если тело движется в пространстве с ускорением, то с увеличением времени t меняется и скорость V — то есть ускорение а остается постоянным.

Действительно, изучать формулы надо только по таким книгам, как "Космонавтика". Не потому, что это интересно, а потому, что это правильно.

2. Теперь перейдем к КВАДРАТИЧНОЙ ЗАВИСИМОСТИ.

Русский оружейник Федоров потратил много сил на переход русской армии с оружия калибром 7,62 миллиметра на оружие калибром 6,5 миллиметра. Казалось бы, один миллиметр разницы — стоит ли ломать копья? Но лобовое сопротивление пули, помимо прочего, пропорционально площади среза, а площадь считается по формуле pR 2. А это значит, что с уменьшением радиуса площадь падает не настолько же, а существенно больше. Если калибр падает на 13 процентов, то площадь падает на четверть — а это весьма солидно.