Британский инженер Роджер Шоер утверждает, что, используя очень малое количество чистой энергии, можно долететь из Алматы до Сиднея за 2 часа (вместо 18). Для этого он предлагает использовать двигатель EmDrive. Попытаемся разобраться, изменит ли мир эта гипотетическая двигательная установка или окажется одной из самых больших научных фальсификаций?

АНАЛОГ В ИСТОРИИ

В 1927 году 20-летний кадет Регулярных Военно-Воздушных Сил Великобритании Фрэнк Уиттл в своей диссертации предложил идею двигателя, который использует для генерации тяги непосредственно выхлоп. Он утверждал, что двигатель наилучшим образом проявит себя на самолётах, летающих на больших высотах и позволит развивать доселе невиданные скорости — более 500 миль в час. 

Руководство Регулярных Военно-Воздушных Сил и прочий истеблишмент проигнорировали диковинные идеи юного инженера, скорее подходящие для только что зародившегося жанра научной фантастики. Невзирая на это, Уиттл основал свою компанию, в которой работал над своим двигателем по 16 часов в день на протяжении десятилетий. Понадобилось чуть более 13 лет после написания диссертации, чтобы в 1941 первое воздушное судно на реактивном двигателе совершило три коротких перелёта на взлётной полосе в графстве Глостершир. Благодаря результатам его стараний, сейчас в любой отдельно взятый момент времени в воздухе, двигаясь со скоростью несколько сотен миль в час, находится более полумиллиона человек. Они едят, спят, читают журналы и смотрят фильмы. И всё это происходит в самолётах, которые считались совершенно невозможными всего век назад. 

Если Роджер Шоер действительно изобрёл двигатель, который не требует вообще никакого топлива для своей работы, то он может стать Фрэнком Уиттлом XXI века. EmDrive — закрытая коробка, уплывающая в небо без сжигания горючего. В сущности, речь идёт об антигравитационной машине.

КОТ ШОЕРА

Давайте, наконец, займёмся наукой. Не будем изменять старой доброй традиции физиков использовать для иллюстрации своих идей котов. Представьте, что вы, держа кота за хвост, раскручиваете им во все стороны. Редакция журнала ни в коем случае не одобряет подобные действия с котами, но для чистоты эксперимента допустим, что вы не человек, а монстр, которого отличает увлечение физикой и стойкая неприязнь к котам. Участок, за который вы будете держать, будет двигаться медленнее по окружности, чем отдалённый от вас участок, то есть голова кота (радиальное ускорение). Это значит, что двигающиеся с большой скоростью части несчастного кота обладают и большой центробежной силой. Вы можете почувствовать эту силу на себе, если вытянете свою вторую руку в направлении кота. Вы создаёте тягу и, по сути, являетесь ГИД-ом — Гироскопическим Инерционным Двигателем, а учитывая неподобающее обращение с котом и чем-то другим. Загуглите «pendulum car» и вы увидите игрушку, работающую по такому принципу.

Зимой 1974 года известный инженер Эрик Лэйтуэйт читал в Королевском институте лекцию, на которой рассказывал о подобном устройстве (правда, без участия кота). Гироскоп, который мог приводить в движение сам себя, используя тягу сгенерированную движением своей собственной массы. Лэйтуэйт был очень уважаемым специалистом, но к его идее отнеслись как к бредовой. По сей день это единственная лекция, которую Королевский институт отказался публиковать. Но, не смотря на такое отношение со стороны научного сообщества, задумка Лэйтуэйта, а точнее — почему она невозможна, заинтересовала военных. Среди проявивших интерес к этой идее был и исследователь Роджер Шоер.

НЕВОЗМОЖНОЕ — ВОЗМОЖНО?

Шоер, трудившийся в военной индустрии, получил задание проверить, есть ли рациональное зерно в противоречивых идеях Лэйтуэйта. Роджер Шоер заключил, что они противоречат законам механики и такой двигатель невозможен. Возможно, Шоеру и удалось «разбить» машину Лэйтуэйта о железные законы механики, но с законами электромагнетизма дела обстоят не так категорично. 

Электромагнитная волна двигается со скоростью света. И, когда дело доходит до высоких релативистских скоростей, оказывается, что невозможное может стать возможным. 

Если ваше увлечение теорией относительности не зашло дальше покупки постера Эйнштейна с высунутым языком, то добро пожаловать в клуб. И надо сказать, это очень большой клуб. В 1919 году, четыре года спустя после открытия Эйнштейном общей теории относительности, ведущие эксперты в этой области признались, что, скорее всего, никто кроме них и самого Эйнштейна не понимает о чём речь. И Шоер подтверждает: «Физики могут описать электромагнитную волну математически, но полностью донести до простого обывателя природу электромагнитной волны практически невозможно». Да, весело…

НАРУШЬТЕ БАЛАНС И ВЫ СОЗДАДИТЕ ДВИЖЕНИЕ

Но всё же попробуем объяснить, что такое EmDrive, как мы это понимаем. 

Двигатель представляет собой пустой конус, концы которого плоские и закрытые. Электромагнитные волны, отражаясь, прыгают туда-сюда. Так как они двигаются со скоростью света, то не могут двигаться ещё быстрее. Из-за заостряющейся формы конуса волны давят на один конец (более узкий) сильнее, чем на другой. Это объясняется более высокой групповой скоростью волн в более узкой части. «Таким образом внутри конуса нарушается баланс импульса,— объясняет Шоер,— и тут вы должны задать себе вопрос, что происходит, когда нарушается баланс момента? Не может ничего не произойти, математика вам этого не позволит. Для того, чтобы уравновесить баланс момента, конус начинает ускоряться в противоположную сторону».

ФИШКА МАЯТНИКА

Проблема в том, что этот эффект (если он вообще существует) очень малозначителен. И чтобы понять, как его увеличить, нужно рассказать о показателе Q (Quality factor). Большинство сразу  же вспомнят персонаж Q, который отвечал за гаджеты, из фильмов про легендарного агента Бонда. Но для инженеров Q — это показатель качества, демонстрирующий насколько легко система теряет энергию. При строительстве небоскрёбов инженеры уделяют большое внимание показателю Q (он должен быть меньше 1), так как для высотных зданий важно быстро терять энергию, чтобы, например, при землетрясении или при сильном ветре их не раскачивало. А маятник, наоборот, имеет высокое значение Q, он заново использует энергию благодаря резонированию. Перерабатывая энергию снова и снова, он теряет её по чуть-чуть. У хорошего маятника показатель Q равен 10 000. 

«Двигатель EmDrive имеет очень высокий показатель Q,— утверждает Шоер. –Обычно, если говорить о  двигателе EmDrive первого поколения, то Q составляет примерно 50 000. Это означает, что двигатель EmDrive заключает в себе гигантское количество энергии — в 50 000 раз больше, чем изначально было сообщено системе за один цикл. Если вы пускаете внутрь один киловатт энергии, то вы заперли внутри 50 мегаватт энергии. Это маленькая электростанция. И нужно относиться к таким системам с осторожностью». 

Мощь систем с высоким показателем Q и вовсе является проблемой для некоторых учёных. «Если заглянуть в ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований), крупнейшую в мире лабораторию физики высоких энергий, то у них есть схожие с двигателем EmDrive суперпроводящие резонаторы цилиндрической формы. И их показатель Q уже не 50 000, а 50 млрд. И если пустить внутрь резонатора один пульс энергии, то заточенная внутри сила настолько большая, что эти гигантские резонаторы, сделанные из толстого металла, в буквальном смысле растягиваются. Действующая внутри сила такая же, как и внутри Em-двигателя, электромагнитные волны прыгают туда-сюда, оказывая давление на стенки резонатора. Но так как цилиндр имеет симметричную форму, силы, действующие на оба конца цилиндрического резонатора,— одинаковы. И вместо того, чтобы двигаться, он просто растягивается. В отличие от таких цилиндрических резонаторов двигатель EmDrive имеет не симметричную форму, и неравномерная сила электромагнитных волн, вместо того, чтобы растягивать фигуру, сообщает ускорение».

НЕВОЗМОЖНО! 

Мнения по поводу двигателя противоречивы, условно их можно разделить на три группы или три лагеря. Представители первого лагеря говорят «Нет», вторые — «Да» и третья группа придерживается точки зрения, которую можно обозначить так — «не имею ни малейшего понятия» (редакция журнала относится к лагерю под номером 3). Представители лагеря, отрицающего двигатель EmDrive, давят на то, что идея Шоера просто напросто нарушает закон сохранения энергии. Этого просто не может быть! По их логике, если EmDrive — электрическая машина, превращающая электромагнитную силу в ускорение, на подобие электромотора, то возможен и обратный процесс, превращающий ускорение в электричество. И если вспомнить, что каждый объект на Земле, благодаря силе гравитации, испытывает на себе ускорение свободного падения (g=9.8 м/с) без каких либо энергетических затрат, то EmDrive Шоера, даже просто лежащий на земле, должен производить неиссякаемое количество энергии, полученной из гравитационного ускорения. Фактически мы говорим о бесконечном бесплатном источнике энергии. И учитывая то, что энергетические проблемы человечества никуда не делись, можно сделать заключение что EmDrive невозможен.

ВОЗМОЖНО! 

Лагерь под условным обозначением «Нет» выводят из себя люди, продолжающие строить двигатели EmDrive и получающие что-то сильно напоминающее тягу. В 2008 году результаты экспериментов Шоера были подкреплены исследования учёных из Китая. А в 2011 специальное подразделение NASA, занимающиеся проверкой самых сумасшедших идей, начало тестировать устройство, работающее по подобному принципу. И в начале 2015 года они тоже зафиксировали тягу своего двигателя. Хотя есть вопросы к результатам их экперимента. Некоторое время спустя команда из университета Дрездена, используя микроволновую печь, тоже построила двигательную установку EmDrive, которая тоже вроде как работает. 

Дошло до того, что и пытливые умы, которых можно назвать учёными-любителями, начали конструировать EmDrive-двигатели у себя в гаражах и на кухнях.

И ГДЕ ЖЕ ЛЕТАЮЩИЕ МАШИНЫ?

Если двигатели EmDrive и работают (хотя это маловероятно), то всё равно путь до бесшумного и экологически чистого самолёта долог. Первое место в списке пожеланий Шоера занимает материал, обладающий супервысокой проводимостью при очень высоких температурах. Если построить EmDrive из такого материалов, то, по словам Шоера, можно повысить пока затель Q c 50 000 до 50 млрд, на манер резонаторов, работающих в ЦЕРН. В таком случае тяга увеличится в 100 000 раз, это нехилый апгрейд со способных поднять только перышко — 300 микроньютон в секунду до тяги в 3 тонны на киловатт энергии. Вот вам и летающая машина с микроволновой печкой вместо двигателя. И действительно, Шоер считает, что через 20 лет мы не будем больше стоять в пробках. У каждого будет машина с возможностью вертикального взлёта и посадки. Сел, взлетел, полетел и приземлился. По настоящему работающий двигатель EmDrive может начать новую эру  чистого, быстрого транспорта, которая сильно изменит нашу жизнь. Помимо летающих машин, мы сможем отправлять корабли дальше и быстрее в космос. Оценочное время пути до Марса составляет от 6 до 12 месяцев, но корабль с EmDrive долетит до Марса за каких-то две недели. И будет логично, если авиационные компании проявят интерес к новейшей технологии. Со слов Шоера, в 2009 году все наработки по EmDrive были переданы в компанию Boeing. Примерно в это же время Китай объявил о том, что они обладают двигателем EmDrive, способным удерживать международную космическую станцию в небе. 

Процесс запущен. EmDrive-двигатель — это не то, что возможно произойдет в будущем, это уже происходит здесь и сейчас.

EmDrive 

Двигатель, который не требует никакого топлива

Микроволны

Роджер Шоер
Британский инженер, изобритатель EmDrive.

Учитывая то, что энергетические проблемы человечества никуда не делись, можно сделать заключение что EmDrive  невозможен.

ЖАРГОН НА СТЕРОИДАХ 

• ИМПУЛЬС 

Импульс — термин, обозначающий количество заключённой в двигающемся объекте энергии. Зависит от массы объекта и скорости, с которой он движется: 

p = mv

• ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА 

Возмущение поля, порождённого электрически заряженными объектами. Электромагнитная волна перемещается в 20 миллионов раз быстрее, чем океанская волна. Настолько быстро, что она подпадает под действие…

• …ЭЙНШТЕЙНОВСКОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ 

которую тяжело объяснить в маленьком квадратике в угле журнала. Но вкратце это означает, что если вы двигаетесь со скоростью света, то время для вас останавливается.

• МОЩНОСТЬ 

Количество производимой энергии за единицу времени. Измеряется в ваттах.

• ЭНЕРГИЯ 

Без энергии мы бы все были такими: Действительно, что такое энергия? Если дать формальное определение энергии, то есть риск, что кто-то из читателей уснёт. Поэтому, давайте просто назовём энергией то, что позволяет делать что-то.

ТУРНИР ГОРОДОВ 

Дорогие читатели, мы хотим познакомить вас с международной олимпиадой по математике для школьников – Турнир Городов (www.turgor.ru)

Каждый год, уже на протяжении 35 лет, школьники из различных городов и стран принимают участие в одном из интереснейших математических состязаний — Турнир Городов. Чем же отличается Турнир от других олимпиад? Во-первых, единовременно вы можете состязаться с ребятами из разных уголков планеты (более 100 городов и 25 стран). Во-вторых, принять участие может любой желающий. В-третьих, задания подобраны таким образом, чтобы развить у участников исследовательские навыки, которые, несомненно, помогут в обучении.

Если вы хотите быть в курсе проходящих в Казахстане математических и физических олимпиад, предлагаем посетить сайт центра олимпийской подготовки «Аль-Фараби» (www.matol.kz).

ВАШЕМУ ВНИМАНИЮ МЫ ПРЕДСТАВЛЯЕМ ЗАДАЧИ 37 ТУРНИРА ГОРОДОВ (базовый уровень, 8-9 класс)

1. Верно ли, что любое натуральное число можно умножить на одно из чисел 1, 2, 3, 4 или 5 так, чтобы результат начинался на цифру 1?
2. Из одинаковых неравнобедренных прямоугольных треугольников составили прямоугольник (без дырок и наложений). Обязательно ли какие-то два из этих треугольников расположены так, что образуют прямоугольник?
3. Трое играют в «камень-ножницыбумагу». В каждом раунде участники наугад показывают «камень», «ножницы» или «бумагу». «Камень» побеждает «ножницы», «ножницы» побеждают «бумагу», «бумага» побеждает «камень». Если в раунде было показано ровно два различных элемента (и значит, один из них показали дважды), то игроки (или игрок), показавшие элемент-победитель, получают по 1 баллу; иначе баллы никому не начисляются. После нескольких раундов оказалось, что все элементы были показаны одинаковое количество раз. Докажите, что в этот момент сумма набранных всеми баллов делилась на 3.
4. На катетах AC и BC прямоугольного треугольника ABC отметили точки K и L соответственно, а на гипотенузе AB — точку M так, что AK = BL = a, KM = LM = b и угол KML – прямой. Докажите, что a = b.
5. В стране 100 городов, между каждыми двумя городами осуществляется беспосадочный перелёт. Все рейсы платные, стоят положительное (возможно, нецелое) число тугриков. Для любой пары городов А и Б перелёт из А в Б стоит столько же, сколько перелёт из Б в А. Средняя стоимость перелёта равна 1 тугрику. Путешественник хочет облететь какие-нибудь m разных городов за m перелётов, начав и закончив в своём родном городе. Всегда ли ему удастся совершить такое путешествие, потратив на билеты не более m тугриков, если m=99; m=100?