Крис Вудфорд - Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Если фундаменты не предотвращают падение зданий, откуда берутся силы, которые не дают им уйти под землю? Всё в мире построено из примерно 100 разных видов атомов – кирпичиков конструктора жизни, которые мы знаем как химические элементы (например, железо, серебро, углерод и кислород). Группы атомов составляют более крупные структуры, называемые молекулами: например, два атома водорода и один атом кислорода образуют молекулу воды (Н 2О). Большинство сил, с которыми мы встречаемся каждый день, возникают между атомами, внутри молекул или между молекулами. Об атомах и молекулах будет больше рассказано в следующих главах, а сейчас вкратце рассмотрим, как они могут создавать силы внутри зданий.

Представьте себе, что вы строите дом на огромном куске железа. Он состоит из атомов железа, выстроенных в очень жесткую структуру, подобную той, которая получилась бы, если бы мы плотно подгоняли сотни мраморных шариков один к одному в коробке. Каждый атом похож на шарик. Внутри него обычно заключено пустое пространство, но, как в большинстве сладостей, самое интересное начинается ближе к центру. На границах атомов есть «мягкие» облака электронов с отрицательным электрическим зарядом (как нижний конец батарейки). В центре атома расположено ядро, состоящее из очень плотно взаимосвязанных протонов и нейтронов и имеющее положительный заряд (как верх батарейки). Отрицательно и положительно заряженные части атомов не дают им слишком близко подойти друг к другу. Вы не можете сколь-нибудь заметно сжать кусок железа, потому что отрицательно заряженное электронное облако одного атома не может существовать вблизи такого же облака другого атома. Атомы взаимно отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные полюса магнита. Чем ближе вы придвигаете атомы друг к другу, тем труднее их сжать.

Если вы построите дом на огромной железной плите, то немного сблизите его атомы друг с другом, но лишь настолько, насколько они позволят. В этот момент вес вашего дома, давящий вниз, будет компенсирован противоположной силой, которая возникает между атомами и действует по направлению вверх. Мы обычно не строим дома на железных плитах, но тот же принцип действует и в случаях скального грунта, почвы и других жестких оснований. Вы можете уплотнить почву, поскольку она состоит из частиц, между которыми есть небольшие «карманчики» воздуха. Вы можете сжать песок, потому что «цепкие» песчинки способны двигаться друг относительно друга. Однако настанет момент, когда земля будет максимально уплотнена и «сжать» ее еще больше не получится. Дальшейшие попытки уплотнить ее – сизифов труд. Другие виды сил (имеющие отношение к электричеству, магнетизму или ядерной энергии) тоже возникают внутри атомов.

▲ Четыре способа, которыми атомы помогают удержать здание от разрушения.1. Атомы в фундаменте отталкиваются от атомов в почве или скальном грунте. 2. Атомы в фундаменте по периметру здания сопротивляются «скольжению» мимо атомов почвы. Дом как будто «подвисает» в почве благодаря силе трения. 3. Верхняя часть поперечных балок слегка сжимается под весом, который на нее воздействует, но атомы внутри нее сопротивляются излишнему сближению. 4. Нижняя часть поперечных балок несколько выгибается от напряжения, но прочные атомные связи внутри них не позволяют им слишком отдаляться друг от друга.

Каждый материал сжимается под действием сил на него, даже если сжатие микроскопическое и сопоставимо с диаметрами нескольких атомов. Интересно, что высотное офисное здание в центре города выше на микроскопическую величину ночью, когда оно пустое, чем днем, когда в нем находятся тысячи людей, вес которых добавляется к весу здания и вместе с ней давит вниз на основание. Насколько короче может быть здание днем? Для обычного небоскреба около 400 м высотой с примерно 50 000 людей внутри сжатие может составить порядка 1,5 мм [10] Для каждого строительного материала существует показатель, называемый модулем Юнга (Е), который показывает, насколько материал прочен или упруг. Он рассчитывается путем деления давления на поверхность материала (силы, которую вы прикладываете к единице площади) на удлинение материала (насколько длиннее он становится по сравнению с первоначальным состоянием). В качестве примера я взял прочный строительный бетон, из которого состоит примерно десятая часть офисного здания, где я работаю. Я также сделал допущение, что все люди, находящиеся в нем, стоят на крыше здания, оказывая равномерное давление на него по всей его высоте. На самом деле сила сжатия внизу здания всегда больше, чем наверху. .

Прочное основание крепко поддерживает ваш дом, но не всегда обеспечивает его полную устойчивость. Представьте себе простейший дом, который вы можете построить: из уложенных друг на друга камней или плотно утрамбованного песка на пляже. На этих примерах легко увидеть, как различные силы удерживают вместе разные вещи. Обычный дом – целый набор материалов, каждый из которых обладает собственным весом в результате гравитации – силы, которая действует на него вертикально вниз. Иными словами, дом в основном стоит за счет сил сжатия, которые вжимают стены в землю, а атомы земли выталкивают сооружение вверх.

В доме не могут быть одни только стены. Между ними много связующих элементов: балок, полов, обрешетки крыши и т. д. Все эти горизонтальные структуры испытывают напряжение(под которым их нижние части выгибаются) и сжатие (под которым их верхние части сгибаются) и передают свой вес и другую нагрузку на стены, придавая дому б о льшую жесткость. Многие здания и сооружения стоят десятилетиями и даже столетиями, потому что применяемые при их строительстве материалы – дерево, камень и бетон – чрезвычайно прочны на сжатие. Это их свойство хорошо иллюстрируется конструкторами Lego, где используются плотно соединяемые пластиковые «кирпичики». Конструктор способен выдержать вес 375 000 таких кирпичиков, поставленных друг на друга. При этом высота конструкции может достичь 3,5 км. С точки зрения понятий силы каждый маленький строительный блок Lego может выдержать давление массы в 350 кг (вес в примерно 3500 Н) [11] В разговорном русском языке принято говорить, например, «Вася весит 75 кг», «лишний вес» и т. п., и в этой книге для простоты изложения часто используются те же конструкции. Хотя, если придерживаться строгой научной терминологии, речь все же идет о массе (то есть Васина масса составляет 75 кг). Вес же (если речь о теле, находящемся в состоянии покоя) – произведение массы на ускорение свободного падения ( g ), на Земле равное 9,81 м/с². Для простоты расчетов в этой книге значение g округлено до 10. Иными словами, вес Васи, масса которого составляет 75 кг, будет равен 750 кг × м/с², или 750 ньютонов (Н). Прим. ред. , то есть вес 4–5 человек [12] Инфракрасное излучение имеет длину волны больше 740 нм (граница видимого красного цвета). Прим. науч. ред. . «Да, впечатляет», – подумаете вы, если только не наступили случайно на один из таких «кирпичиков» голой ногой, убирая конструктор за малышом.