Аннотация: Если знаешь расстояние, то можно рассчитать за сколько времени герой его преодолеет.
СКОРОСТИ
В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ
В. ЛИШЕВСКИЙ.
Материя не может существовать иначе как в движении. Одна из форм ее движения - перемещение тел в пространстве. Движутся атомы и молекулы, горы и реки, планеты и звезды. От частичек песка, переносимых ветром, и до разбегающихся галактик - все находится в непрерывном круговороте бытия.
Вряд ли нужно доказывать, как важно знать величины скоростей, развиваемых в том или ином из этих движений, сколь большое практическое значение имеют эти знания.
Скорость света равна 299792458 Ђ 1,2 м/с.
"Человек есть мера всех вещей",- говорили древние греки. Эта поговорка применима и к нашему рассказу: процессы, протекающие в человеческом организ-ме, могут заполнить собой довольно обширный интервал на шкале скоростей и послужить основой для дальнейших сравнений.
Одно из самых наглядных движений человека - ходьба. Скорость размеренного неторопливого шага - около одного метра в секунду. В силу своей привычности именно эта величина и взята нами за единицу измерения шкалы.
Скорость бега приближается к 10 м/с. Как интенсивно движутся при этом все части тела! Какая взаимосогласованность требуется от их движений! Как расторопны должны быть нервные сигналы, управляющие этими движениями! Неудивительно, что скорость распространения нервных импульсов по нейроволокнам достигает 120 м/с.
И сколь проворен должен быть ток крови, снабжающей кислородом все органы человеческого тела! Со скоростью 0,2 м/с выталкивается она в аорту. По мере продвижения по сосудам ее течение замедляется: в тончайших капиллярах она пробирается со скоростью всего лишь 3Ј10-4 м/с (0,3 мм/с). Медленно перемещается пища в кишечнике (5Ј10-3 м/с = 0,5 см/с). Понятно: процессы созидания организма весьма ответственны и совершаться долж-ны неторопливо.
В первый год жизни, когда человек растет быстрее всего, он прибавляет в росте четверть метра - иными словами, скорость его роста измеряется величиной порядка 10-8 м/с. С каждым последующим годом рост замедляется и к поре совершеннолетия прекращается вовсе. Впрочем, о созидательных процессах, непре-рывно идущих в организме, нам постоянно напоминает рост ногтей (10-9 м/с =2 мм/ме-сяц) и волос (4Ј10-9 м/с = 0,35 мм/сутки).
"Быстрее, выше, сильнее!" - таков девиз спорта. Из трех этих слов первое имеет самое непосредственное отношение к теме нашего рассказа.
Вопрос "кто быстрее?" решается в спор-тивных состязаниях по бегу, плаванию... Своеобразное состязание можно было бы устроить и между всеми перемещениями, которые характерны для различных видов спорта. Вот результаты подобного сравне-ния: бегун на короткие дистанции развива-ет скорость 10 м/с, бегун на длинные - 7 м/с, прыгун в длину - 9,5 м/с, прыгун в высоту - 6,7 м/с, пловец - 2 м/с.
Сравним теперь скорости, которые получают спортивные снаряды в соревнованиях по метанию. Все они лежат в довольно узком интервале близ отметки 30 м/с.
Человек существенно расширил этот интервал, используя им же изобретенные орудия: стрела из лука - 70 м/с, пуля из спортивного ружья - до 800 м/с.
Техника помогла повысить скорости в спорте: велосипед - 14 м/с, мотоцикл - 140 м/с... Впрочем, этот перечень более уместен в разговоре о транспортных средствах, речь о которых пойдет ниже.
Читателям "Науки и жизни", вероятно, помнится, как однажды на страницах журнала была развернута панорама спортивных состязаний с участием животных. Царь природы, человек, на этих состязаниях был далеко не первым - его обгонял даже неуклюжий слон.
Быстрее всех по земле передвигается гепард (120 км/час =33 м/с), а в воде - меч-рыба (135 км/час = 37 м/с). Среди жителей воздушного океана рекорд скорости принадлежит золотистому орлу, при пикировании он развивает скорость до 160 км/час (44 м/с).
Обсудив курьезную идею "Олимпийских игр для животных", нельзя не упомянуть о разнообразных реальных соревнованиях, участниками которых выступают животные - от скачек лошадей (рекорды скорости измеряются здесь величинами около 18 м/с) до... тараканьих бегов (0,1 м/с).
Отметив рекорды скорости, затронем и "достижения" противоположного свойства. В поговорку вошла медлительность черепа-хи (5Ј10-2 м/с) и улитки (1,6Ј10-3 м/с).
Если бы человек мог видеть сквозь землю, он зачислил бы в ту же компанию и земляного червя (5Ј10-4 м/с), и крота (10-3 м/с)... А обладай мы большей остротой зрения, чемпионами медлительности в наших поговорках выступали бы простейшие: амеба, например, движется в тысячу раз медленнее улитки (5Ј10-6 м/с).
Биологам хорошо известно, сколь прихотлива и размыта граница, разделяющая два царства живой природы - флору и фауну. Между тем на шкале скоростей разделяющая их грань видна весьма отчетливо: скорости роста растений меньше скоростей передвижения животных. Даже бамбук, который за сутки способен вытянуться ввысь на 40 см, что соответствует скорости 4,5Ј10-6 м/с, бамбук - и тот несколько уступает амебе.
Для наших мест бамбук - экзотика. Чемпионами по скорости роста среди растений у нас считаются грибы (до 2Ј10-7 м/с). Им уступают и травы (до 1Ј10-7 м/с) и деревья (до 4Ј10-9 м/с).
Говоря о деревьях, мы имеем в виду, разумеется, скорость их роста ввысь. Между тем деревья могут дать и более удаленные влево отметки на шкале скоростей, если учесть, например, скорость, с которой нарастают в диаметре их стволы (1,5Ј10-11 м/с).
По ходу предыдущего рассказа (так было уже не раз) сведения, затронутые в одном разделе, сравнивались с информацией, изложенной в других. Не построить ли на подобных сравнениях и этот раздел, где речь пойдет о стихиях природы?
Реки - до 7 м/c) и морские течения - до 3 м/с), приливные волны (до 5 м/с)- их скорости сравнимы с теми, которые в своем движении развивает человек. Примерно с такими же по порядку величины скоростями падают из облаков снег (до 0,2 м/с), дождь (до 8 м/с)... Но если гово-рить о скорости самих облаков (до 20 м/с), лавины (до 30 м/с), ветра (до 70 м/с при урагане), то здесь с неживой природой состязаться рискнули бы только самые стремительные представители фауны.
Неживая природа намного превосходит человека и в "метаниях": со скоростью до 300 м/с вылетают камни из вулканов при извержениях. Эта цифра, пожалуй, представляет собою рекорд скорости для стихий природы. Эол, бог ветров, значительно уступает в подобном состязании Вулкану, богу огня,.. Впрочем, так ли это? Давайте оценим скорости, с которыми проносятся в своем хаотическом тепловом движении молекулы воздуха. Эти скорости, разумеется, неодинаковы по величине, од-нако их разброс подчиняется строгой закономерности, называемой распределением Максвелла. График этой закономерности имеет пологую вершину, соответствую-щую при нормальных условиях температу-ры и давления скоростям около 400 м/с. Солидная цифра, не правда ли?
Но продолжим наши сравнения. Нефть, сочащуюся в глубине земли к буровой скважине (до 6Ј10-4 м/с), и воду, текущую к скважине артезианской (около 10-3 м/с), по значениям скоростей можно уподобить крови, движущейся по капиллярам. Ну, а скорости, с которыми растут горы (до 6Ј10-10 м/с) и перемещаются материки (до 1,5Ј10-9 м/с), словом, меняется форма нашей планеты, сопоставимы со ско-ростями роста деревьев и животных.
Переходя от земных стихий к космическим, сразу замечаешь характерную перемену. Что касается Земли, то здесь для всех природных процессов скорости указывались лишь приблизительно, подверженные определенному разбросу. Иное дело - космос.
Скорость, с которой в ходе вращения Земли движется точка земного экватора на уровне моря - 4,65Ј102 м/с. Ско-рость, с которой движется Земля по околосолнечной орбите - 2,98Ј104 м/с. На постоянстве этих скоростей издревле осно-вывались измерения времени: сутки - это период обращения Земли вокруг своей оси, год - период обращения нашей пла-неты вокруг Солнца. На роль масштабов времени эти величины могли претендовать лишь при достаточном постоянстве соответствующих движений.
Продолжим наш перечень. Скорость, с которой Солнце обращается вокруг центра Галактики,- 2,50Ј105 м/с. Первая косми-ческая скорость (ее необходимо придать телу, находящемуся на уровне моря, чтобы - оно стало спутником Земли) - 7,90Ј103 м/с. Вторая космическая ско-рость (ее необходимо придать телу, чтобы оно покинуло Землю) - 11,18Ј103 м/с. Третья космическая скорость (ею должно обладать тело, чтобы уйти за пределы Солнечной системы) - 16,67Ј103 м/с.
Конечно, столь высокая точность приведенных цифр объясняется тем, что отно-сятся они к объектам и движениям, единственным в своем роде.
Что же говорить, когда речь заходит о скоростях, характеризующих какие-то совокупности космических тел - естественных и искусственных?
Метеориты вторгаются в земную атмосферу со скоростями 1-7Ј104 м/с. Искус-ственные спутники Земли летят в около-земном пространстве со скоростями 2-7Ј103 м/с... Итак, мы вновь возвращаемся к оценкам, задающим лишь порядки величин.
Сфера техники занимает свой диапазон на шкале скоростей. Знакомство с ним, видимо, лучше всего начать с того интервала, который вмещает в себя технику бытовую.
Он не столь уж узок, этот интервал! Центральный его участок приходится на наиболее привычные для нас скорости по-рядка метра в секунду. Дециметры в секунду - с такими скоростями скользит магнитофонная лента по роликам звукоснимающего устройства. Метры в секунду - с такими скоростями всасывает воздух пылесос и выбрасывает фен. От одного до семи метров в секунду - с такими скоростями движутся пассажирские лифты.
Техника редко бывает бесшумной. Звук в воздухе распространяется со скоростью порядка 3Ј102 м/с, в твердых материалах, например, в железе - 5,2Ј103 м/с. В масштабах жилого помещения такие ско-рости трудно ощутимы. (Это не то, что на природе; звук от удара топора восприни-мается через несколько секунд после того, как видимый вдали дровосек взмахнул топором.) И уж, конечно, глаз не уследит за электронным лучом, когда он обегает экран телевизора со скоростью 4Ј106 м/c.
Вот так, не выходя за двери квартиры, мы добрались по шкале скоростей почти до самого ее правого края! В проводах электроны движутся много медленнее, преодолевая за секунду доли миллиметра (около 104 м/с; не следует путать эту цифру со скоростью распространения элект-рического поля, которая близка к скорости света).
Шагнем теперь к левому краю шкалам, обращаясь к процессам горения. Среди соответствующих примеров на вкладке выделен бикфордов шнур. Скорость распространения пламени по нему - 1 см/с. Цифра точная, и это знает любой подрывник: измерив длину шнура, он тем самым оценивает время, за которое должен добраться до укрытия.
Характеристики дальнейших примеров, как это в основном было и прежде, приблизительные. Со скоростью 2Ј10-3 м/с пламя распространяется по спичке, 3Ј10-5 м/с -укорачивается тлеющая сигарета, 510-6 м/с - убывает по высоте горящая свеча.
В строй этих примеров вклиниваются и часовые механизмы. Со скоростью 2Ј10-5 м/с опускается гиря ходиков, 3Ч10-6 м/с - ползет по краю цифербла-та наручных часов конец минутной стрел-ки, 2,5Ј10-7 м/с - конец часовой.
Транспорт - особая тема разговора о технике в "скоростном" аспекте. Ее своеобразие проявляется уже в том, что интервал скоростей, занимаемый средствами транспорта, имеет отчетливую нижнюю границу. Ее задают скорости эскалаторов метро, составляющие от 0,7 до одного метра в секунду. Близость к скорости неторопливой ходьбы создает пассажиру ощущение уюта. Но передвигаться с меньшими скоростями вряд ли имеет смысл. История транспорта - это история борьбы за скорость, где, как и в спорте, есть свои состязания, свои рекорды.
Вот некоторые из этих рекордов. Автомобиль: 1019,7 км/час = 284 м/с. Менее чем за сто лет скорость автомобиля выросла почти в 70 раз! Самолет: 3529,56 км/час = 980 м/с. За 80 лет скорость полета выросла почти в 60 раз! Вертолет: 368,4 км/час = 102 м/с. Скоростной поезд: 380 км/час = 105 м/с. Подводная лодка: 70 км/час = 20 м/с.
Любопытно, что поршень автомобильно-го двигателя внутреннего сгорания развивает скорость до 20 м/с - почти такую же, какая установлена в нашей стране в качестве предела для движения автомобилей по городским улицам (60 км/час = 16,6 м/с).
Мир техники обширен, но изучить его в деталях под силу только специалисту, а каждый из них видит лишь довольно узкий участок, относящийся к его специальности. Какие же общеизвестные технические про-цессы можно было бы отобрать, чтобы разметить ими диапазон скоростей, освоенных современной техникой?
Будем перебирать их, начиная от правого края этого диапазона. Он почти подступает к пределу возможных скоростей - к скорости света. Напомним ее величину:
3Ј108 м/с. И скорости, до которых элементарные частицы разгоняются в современных ускорителях, близки к этому значению. Со скоростью около 1700 м/с ухо-дит в небо метеорологическая ракета, со скоростью до 1000 м/с вылетает снаряд из ствола пушки. До 80 м/с - таковы скорости, с которыми изливается синтетическое волокно из фильеры. С этим примером мы вступаем в заводские корпуса. Раскаленная стальная болванка катится по рольгангу блюминга (3-7 м/с), от одного сборщика к другому плывут будущие машины по конвейеру (0,2 м/с)... Чем сложнее и тоньше технологическая операция, тем меньше скорости, с которыми перемещается обрабатывающий инструмент. Суппорт токарного станка, например, может продвигаться со скоростью 1Ј10-3 м/с, то есть медленнее, чем каток для укатки асфальта (5Ј10-2 м/с).
Левый конец этого диапазона скоростей отмечен буквой М - эмблемой метрополитена. Она напоминает, конечно же, не о скоростных поездах подземных дорог, а о проходческих щитах, с чьей помощью эти дороги прокладываются. Скорость их продвижения - до 1,5Ј10-4 м/с. Цифра са-мой своей малостью говорит о том, сколь трудны эти доли миллиметра в секунду.
Крот, конечно, быстрее прокладывает свои ходы, но ведь у него и масштабы работ гораздо меньшие, и землю он выбирает помягче, а у строителей подземных до-рог выбора часто и не бывает...
О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель...
А.С. Пушкин
E=mc2