Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

При известной доле воображения облако можно сравнить с мятной подушечкой жевательной резинки, которую приносят в ресторане вместе со счетом (смотрите следующую страницу).

Звучание ударных волн на сверхзвуковой скорости также меняется — в зависимости от того, на какой высоте самолет летит. На больших высотах каждый конус ударной волны (передний и задний) к моменту достижения земли растягивается — звучат сильные, но глухие хлопки. Однако низколетящий самолет производит более высокие звуки, похожие на пару быстрых выстрелов или даже ударов кнута укротителя львов. (Если уж на то пошло, двух ударов, причем, скоординированных — укротители должны щелкать кнутами практически одновременно.) Но вне зависимости от того, глухие это удары или звонкие щелчки, за ударными волнами тут же следует оглушительный рев двигателей самолета.

Сравнение сверхзвукового самолета и кнута возникло не на пустом месте — в момент щелчка кончик кнута развивает сверхзвуковую скорость, рождающую ударную волну. Термины «удар пастуха» и «удар кучера» к приемам самозащиты никакого отношения не имеют. Так называются техники обращения с кнутом, при которых самый кончик (иначе — растреп) кнута рассекает воздух быстрее скорости звука, порождая щелчок ударной волны. Опытный пастух или кучер воспроизводит подобный удар с кажущейся для постороннего наблюдателя легкостью. Расслабленным движением кисти он посылает энергию в виде волны по веревке кнута и тут же дергает кнутовище на себя, усиливая напряжение. Волна, поначалу двигающаяся на малой скорости, под конец, проходя все сужающуюся веревку, разгоняется до сверхзвуковых значений. Возникает мощная ударная волна — резкий и оглушительный, как выстрел, удар кнута.

Колено возле рукояти, самая толстая часть кнута, сплетено из множества кожаных полос. Кнут постепенно сужается и в конце соединяется с одной-единственной полосой из кожи. К концу этой полосы привязывается растреп — маленький, но очень подвижный шнурок из нейлона или проволоки; именно им пастухи и щелкают.

Как постепенно сужающееся русло реки собирает приливную энергию, формируя крутой и быстрый волновой фронт, так и конец кнута концентрирует энергию, пущенную по кнуту в виде волны, только еще сильнее. Математики из Университета Аризоны вычислили: если диаметр шнурка на самом конце стандартного кнута длиной в 2 м равен одной десятой части кнута возле кнутовища, то при ударе таким кнутом волна перемещается на конце со скоростью, в тридцать два раза превышающей ту, с которой она перемещалась в самом начале {92} 92 Goriely, A., and McMillen, T, “Shape of a Cracking Whip”, Phys. Rev. Lett. 88, issue 24(2002). .

Попрактиковавшись, можно запросто посылать волну вдоль кнута со сверхзвуковой скоростью. Замедленная съемка специальной аппаратурой показывает: ударная звуковая волна образуется при скорости движения шнурка, превышающей скорость звука в два раза. Э-ге-гей!..

Вы наверняка помните некоторые особенности ударных волн: они возникают внезапно, благодаря резко выраженным фронтам; распространяются быстрее, чем обычные волны. Третье свойство ударных волн — их сильное, порой даже разрушительное воздействие на среду распространения. Сержант Эмме на себе испытал, каково это — ударная волна, пройдя через его череп, вызвала тяжелый ушиб головного мозга. А некоторые солдаты, к несчастью, оказываются слишком близко от взрыва и погибают — ударные волны проходят через их тела.

Когда ударные волны распространяются через воздух, он довольно сильно нагревается — благодаря чрезвычайно высокому давлению фронта некоторых ударных волн. Иногда температура повышается настолько, что воздушная среда меняет свой химический состав. Именно таким образом ударная волна воздействовала на воздух в верхних слоях земной атмосферы; результатом явилось происшествие, ставшее одним из самых драматических в истории освоения космоса. Речь пойдет о злополучном запуске «Аполлона-13» с людьми на борту; аппарат должен был сесть на Луну. Чтобы понять, какую роль в этой драме сыграла ударная волна, вам придется малость покружить вместе с космонавтами, поскольку главные события развивались уже в последние минуты полета.

Мировая пресса освещала запуск 11 апреля 1970 года довольно сдержанно. За год до этого произошла высадка на Луну — событие, вызвавшее настоящий фурор, так что запуск «Аполлона-13» на этом фоне выглядел рядовым.

Однако как только на борту возникла нештатная ситуация, новости о полете заняли первые страницы всех мировых изданий. Каждый этап разворачивающейся драмы передавался в прямом телеэфире — весь мир словно затаил дыхание, гадая, удастся ли трем космонавтам приземлиться целыми и невредимыми.

Трудности возникли на третьи сутки полета, когда один из членов экипажа проводил обычную процедуру — включал вентиляторы, которые перемешивали жидкий кислород в двух бачках для двигательных отсеков. При выполнении процедуры произошло замыкание оголенных проводов в одном из бачков, приведшее к взрыву бачка. В результате сорвало панель отделения четвертого двигательного отсека (присутствие экипажа в отсеке не предполагалось — в нем размещались двигательные установки, электрическое оборудование и устройства для кондиционирования воздуха). Кроме того, взрыв повредил другой бачок.

Услышав сильный удар, космонавты поняли только одно — произошло нечто серьезное. Загорелась световая сигнализация, нарушилась работа силовых установок, приборы «сбрендили». Но экипаж по-прежнему толком не понимал, в чем дело. Командир экипажа Джим Ловелл посмотрел в иллюминатор и заметил вытекающий в открытый космос кислород. Именно тогда он соединился по радиосвязи с Центром управления полетами, произнеся ставшую впоследствии знаменитой фразу: «Хьюстон, у нас проблемы».

Высадка на Луну была отменена; специалисты из Космического центра им. Линдона Джонсона делали все, чтобы экипаж вернулся живым. Трем космонавтам предстояло избавиться от поврежденного «Одиссея», командного модуля, в котором экипаж обычно находится во время взлета и посадки, а также при орбитальном полете. И перейти в «Водолей», лунный модуль, предназначенный для посадки на Луну и взлета с нее. Поскольку ни о какой Луне и речи не было, «Водолей» предполагалось использовать в качестве своего рода спасательной шлюпки, бороздящей космические просторы. Однако в лунном отсеке запас кислорода был ограничен, всего на сорок пять часов, а этого никак не хватило бы для того, чтобы дождаться запланированного приземления. И вот в Центре управления полетами пошли на риск — принялись вычислять новую траекторию, чтобы ускорить возвращение космонавтов. Большую часть топлива лунного модуля решено было использовать для корректировки курса — при этом время пребывания экипажа в космосе сокращалось на девять часов. При условии правильности расчетов космический корабль вырвется из поля притяжения Луны и, подобно камню, пущенному из рогатки, полетит к Земле. Ну, а если нет… Однако запасного плана попросту не существовало.