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

Самый эффективный способ избавиться от перегрева сводится к испарению воды. Именно поэтому мы потеем. На превращение жидкой воды в газ уходит очень много энергии, после чего газ улетучивается, унося с собой эту энергию. Поскольку собаки не потеют, они не вырабатывают на своей шкуре воду, которая могла бы испаряться, но в их носовом ходе имеется достаточно воды. Учащенное дыхание – не что иное, как проталкивание как можно большего количества воздуха сквозь влажный носовой ход, что позволяет максимально быстро избавиться от лишнего тепла. Словно решив продемонстрировать нам правильность такого вывода, Инка снова начинает учащенно дышать. Мне удается подсчитать, что каждую секунду она совершает примерно три вдоха-выдоха. Может сложиться впечатление, что это отнимает у нее немало сил, хотя на самом деле это не так. Легкие собаки ведут себя как генератор колебаний. Три вдоха-выдоха за секунду – самая эффективная для нее частота дыхания, так как соответствует собственной частоте легких собаки. Когда собака делает вдох, эластичные стенки ее легких расширяются, а спустя мгновение сжимаются с силой, достаточной для повторения дыхательного цикла. В тот момент, когда легкие возвращаются к нормальному, нерастянутому размеру, собака прилагает лишь минимальное усилие, чтобы инициировать очередной цикл их расширения-сжатия. Обратная сторона такого дыхательного процесса заключается в том, что, когда собака дышит так часто, она не успевает замещать воздух в глубине легких, поэтому в процессе дыхания фактически не успевает вдыхать необходимое количество дополнительного кислорода. (Именно поэтому собака не дышит так все время.) Но когда собаке нужно избавиться от лишнего тепла, она готова поступиться каким-то количеством нужного ей кислорода. Расширяя и сжимая легкие с наиболее подходящей для них частотой, собака прогоняет через свой нос максимально возможный для себя объем воздуха, прилагая для этого минимальные усилия. Таким образом, учащенное дыхание вырабатывает очень незначительное количество тепла по сравнению с теплом, которое собака теряет в процессе такого дыхания. Собака дышит через нос, однако ее пасть при этом широко открыта, потому что слюноотделение также охлаждает собаку. Испарение слюны помогает ей избавиться от какой-то части тепловой энергии. Учащенное дыхание снова останавливается, и Инка поглядывает на теннисный мячик. Достаточно лишь одного вопросительного взгляда на Кэмпбелла, чтобы игра возобновилась.

Собственная частота того или иного объекта зависит от его формы и материала, из которого он изготовлен. Но самый важный фактор – размер. Вот почему маленькие собачки дышат еще быстрее. Их легкие очень малы; соответственно, частота их расширения-сжатия существенно выше. Учащенное дыхание – очень эффективный способ избавления от лишнего тепла, если ваши размеры невелики. Но эффективность снижается по мере их увеличения. Возможно, именно этим объясняется то обстоятельство, что более крупные животные – в том числе люди – потеют (особенно если их тело не покрыто шерстью).

Каждому объекту присуща собственная частота, причем иногда таких частот может быть несколько, если возможны разные картины вибрации. Когда объекты увеличиваются в размерах, эти частоты обычно снижаются. Чтобы привести в движение очень массивный объект, требуется толчок значительной силы, но даже здание может вибрировать – правда, с очень-очень низкой частотой. Вообще говоря, здание может вести себя как метроном – наподобие маятника, перевернутого вверх тормашками (фундамент зафиксирован, а верхушка колеблется из стороны в сторону). Вверху скорость ветра выше, чем внизу, и этого вполне достаточно, чтобы придать высокому и узкому зданию нечто вроде толчка, который вызовет раскачивание здания с его собственной частотой. Если вам приходилось в очень ветреный день бывать на верхних этажах небоскребов, то вы, наверное, ощущали эти раскачивания. Один цикл такого раскачивания может занимать пару секунд. Те, кто в такие моменты находится внутри высотных зданий, испытывают не самые приятные ощущения, поэтому архитекторам приходится искать способы сократить раскачивания. Полностью избавиться от них невозможно, но можно по крайней мере изменить собственную частоту и гибкость зданий, чтобы сделать раскачивания менее заметными. Если вы вдруг почувствуете, что здание, в котором находитесь, раскачивается под напором ветра, не волнуйтесь – здание проектируют таким образом, что оно может несколько изгибаться, но это вовсе не означает, что оно рухнет.

Ветер бывает порывистым, но он не толкает здание в строго определенном ритме, который может совпасть с собственной частотой здания, поэтому его раскачивание происходит лишь с очень небольшой амплитудой. Но толчки, вызываемые землетрясением, приводят к распространению «ряби» по земной поверхности. Эти громадные волны расходятся от эпицентра землетрясения в виде концентрических кругов, медленно покачивая земную поверхность из стороны в сторону. Что происходит с высоким зданием в случае землетрясения?

Утром 19 сентября 1985 года Мехико-Сити пришел в движение. Тектонические пласты под Тихоокеанским побережьем, в 400 километрах от города, начали громоздиться друг на друга, вызывая землетрясение магнитудой 8 баллов по шкале Рихтера. В Мехико-Сити толчки ощущались на протяжении приблизительно трех-четырех минут. Этого оказалось достаточно, чтобы город превратился в груду развалин. В тот день, по некоторым оценкам, с жизнью попрощались около десяти тысяч человек, а инфраструктуре города был нанесен колоссальный урон. На восстановление города ушло несколько лет. Чтобы оценить масштаб ущерба, Национальное бюро стандартов США, а также Служба геологии, геодезии и картографии США направили в Мехико-Сити бригаду из четырех инженеров и одного сейсмолога. Согласно составленному ими подробному отчету, причиной беспрецедентных разрушений стало шокирующее совпадение частот.

Прежде всего Мехико-Сити расположен на вершине, состоящей из осадочных пород, которые сформировались на дне озера и заполняют впадину, образованную твердыми скальными породами. Устройства контроля за развитием землетрясения показывали замечательные регулярные волны с единой частотой, хотя обычно у импульсов землетрясения гораздо более сложный характер. Оказалось, что особое геологическое строение осадочных пород озера придало им определенную собственную частоту колебаний, в результате чего они усиливали любые волны длительностью примерно две секунды. Впадина, заполненная осадочными породами, на которых был построен Мехико-Сити, на короткое время превратилась в столешницу, вибрирующую практически с неизменной частотой.