«Птицы рассекают крыльями воздух и летят куда хотят. Разве человек хуже птицы?» — вопрошал герой древнегреческих мифов Дедал. Согласно легенде, после создания знаменитого лабиринта Минотавра он стал пленником царя Миноса. Чтобы вырваться на свободу, Дедал изобрёл волшебные крылья для себя и своего сына Икара. Однако история отца и сына закончилась печально: Икар разбился, подлетев слишком близко к Солнцу. Люди, конечно, не хуже птиц, но летать, как они, вряд ли смогут. Но Дедал, к сожалению, этого не знал, ведь он не был знаком с законом Бернулли и явлением флаттера.
А мне летать охота Существует множество историй подобных мифу об Икаре и Дедале, в этих легендах воплощена мечта людей летать «как птицы». Вот только птицы летают по-разному. Самые маленькие из них — колибри — машут крыльями с такой скоростью, что взмахи их крыльев даже невозможно разглядеть. И, наоборот, чем крупнее птица, тем медленнее она машет крыльями. Замечал, как парят в небе орлы и беркуты? В полёте они почти не совершают взмахов, зато при взлёте активно машут крыльями, словно набирают скорость. Эти птицы держатся в воздухе за счёт расправленных в стороны крыльев. Стоит им сложить крылья, как они падают вниз камнем.
Человечество, чтобы покорить небо, изучало строение крыльев, копировало их, но все попытки были безуспешны. Люди не могли до конца разгадать секрет того, как крылья держат птиц в воздухе, даже когда они ими не машут? Первый шаг к разгадке в 1643 году сделал итальянский математик и физик Эванджелиста Торричелли. Он доказал, что воздух давит на предметы. А французский математик Блез Паскаль в 1663 году определил, что это давление распределено равномерно, то есть воздух одинаково давит во все стороны, а не только сверху вниз. В 1738 году знаменитый швейцарский математик и физик Даниил Бернулли открыл свой знаменитый закон (он так и называется — закон Бернулли), который утверждает, что при движении газов и жидкостей давление и скорость их течения связаны: чем больше скорость, тем ниже давление, и наоборот — чем скорость движения газа меньше, тем его давление больше.
Этот, казалось бы, простой закон и оказался тем прорывом, после которого создание самолётов стало возможным в принципе. Но до полёта первой «стальной птицы» оставалось ещё 165 лет.
Эванджелиста Торричелли — итальянский физик и математик. Он сформулировал главный принцип движения центров тяжести, доказал существование атмосферного давления и сконструировал первый барометр. Открытые учёным законы легли в основу теории гидравлики. В честь Эванджелиста Торричелли названы многие архитектурные объекты, инженерные конструкции, а также единица давления торр. Эванджелиста всегда сам изготовлял линзы для своих оптичес ких приборов. До нашего времени дошла одна из его линз, диаметр которой составляет 83 мм. Исследуя эту линзу, физики пришли к выводу, что она по некоторым качествам превосходит современные линзы. Сам Торричелли однажды заявил, что даже ангел не изготовил бы лучших сферических зеркал. После смерти учёного разгадка его удивительных линз хранилась в шкатулке, бродившей среди его друзей, но где она находится сейчас неизвестно
Даниил Бернулли – швейцарский физик-универсал, механик и математик, один из выдающихся учёных своего времени. Сам он себя считал физиологом и занимался изучением движения «жизненных токов». Однако для понимания движения жидкостей в организме требовалось понять общие законы механики жидкости, чем он и занялся. В своей классической «Гидродинамике» Бернулли вывел уравнение стационарного течения несжимаемой жидкости (закон Бернулли), лежащее в основе динамики жидкостей и газов.
Убедиться в действии закона Бернулли просто: возьми две полоски бумаги, и держи их за концы параллельно друг другу, а теперь подуй в промежуток между ними. Полоски станут сближаться. Почему? Скорость движения воздуха между полосками стала выше, чем на их внешней стороне, значит, давление воздуха между ними уменьшилось. Это давление снаружи их и притянуло
Крыло — всему голова
Но, на первый взгляд, закон Бернулли не объясняет, почему же птицы могут держаться в воздухе, не взмахивая крыльями. Потребовались десятилетия, чтобы понять, как это происходит. Дело оказалось в конструкции птичьего крыла. Если посмотреть на поперечный разрез крыла, то можно заметить, что оно имеет форму вытянутой капли, но не симметричной, а изогнутой, как будто на неё слегка надавили снизу (верхняя часть крыла немного с «горбинкой», а нижняя — почти плоская). Представь, как воздух при полёте обтекает такое крыло птицы (или самолёта, крыло которого устроено по такому же принципу). Воздух раздвигается крылом: часть воздуха обтекает его сверху, часть — снизу. Но ты помнишь, что верхняя часть крыла «с горбинкой», поэтому воздух при её обтекании проделывает более длинный путь, чем по нижней, плоской части. Как мы знаем, чтобы проделать более длинный путь, воздуху нужна большая скорость. В результате, скорость обтекания крыла воздухом разная: в верхней его части она больше, чем в нижней. Остаётся вспомнить закон Бернулли: там, где скорость воздуха выше — ниже давление. И получается, что давление воздуха на нижнюю часть крыла больше, чем на верхнюю. Вот эта разница давлений на крыло и называется подъёмной силой. Эта сила удерживает птиц и самолёты в воздухе без необходимости махать крыльями.
Братья Уилбур и Орвилл Райт — два американца, признанные конструкторы и строители первого в мире самолёта. На самом деле братья Райт не были первыми, кто построил и совершил полёт на экспериментальном самолёте, они были первыми, кто мог управлять таким полётом в воздухе, что сделало возможным дальнейшее развитие самолётостроения в мире
Тише едешь — живым сядешь
В начале XIX века английский изобретатель Джордж Келли сконструировал первый в мире (или один из первых) самолёт. У него были крылья и хвостовое оперение, но пилот для взлёта должен был бежать по земле, в буквальном смысле неся самолёт на себе. Да и «летать» на нём можно было разве что на несколько метров. Первый по-настоящему летающий самолёт построили американцы — братья Райт, Орвил и Уилбур. В декабре 1903 года их самолёт «Флайер 1», оснащённый двигателем внутреннего сгорания (как у автомобилей) и пропеллером, продержался в воздухе одну минуту и пролетел 260 метров. И это было выдающимся достижением для того времени. Уже через два года братья создали самолёт, пролетевший целых 39 км. Так началась эра авиации. А в 1914 году, во время Первой мировой войны, самолёты уже использовались в боевых действиях. Cамолёты совершенствовались, скорости их росли, но воздухоплавателей ждала новая проблема, получившая название флаттер. В 1930-е годы во всех странах, развивающих авиацию, лётчики и конструкторы, испытывающие новые скоростные модели самолётов, стали сталкиваться с непонятным явлением: при увеличении скорости самолёта совершенно неожиданно и по непонятным причинам его начинало резко трясти. Да так, что у самолёта отваливались крылья! В чём причина?
- Самолёты поднимаются в небо благодаря подъёмной силе, которая создаётся разницей давлений
- Подьёмная сила действует вверх
- Скорость воздуха выше, давление ниже
Действие подьёмной силы направлено перпендикулярно встречному потоку воздуха В горизонтальном полёте увеличение скорости и угла атаки приводит к увеличению подъёмной силы, создаваемой крылом
Закон Бернулли важен не только для полётов. Его знают все мореплаватели: если суда движутся параллельно друг другу — им нельзя сближаться, потому что они могут притянуться друг к другу и столкнуться. Причина такая же, как и с полосками бумаги: струя воды между движущимися судами создаёт пониженное давление и притягивает суда друг к другу. Когда создавали поезд «Сапсан», способный мчаться со скоростью больше 200 км в час, инженеры придумали специальные ограждения, чтобы стоящих на платформе людей не притянуло к летящему мимо них скоростному поезду
Всё дело в резонансе
Ты, конечно, качался на качелях. И знаешь, как нужно на них раскачиваться: сгибать ноги и отклоняться в такт движению качелей. Если делать это не в такт, то раскачивания не получится, может быть, даже наоборот — качели станут останавливаться. Вот это самое «в такт» в физике называется резонанс. Это означает, что собственные колебания качелей совпадают с твоими движениями. А знаешь ли ты, как солдаты строем проходят по мосту? Как только строй солдат, идущих в ногу, ступает на мост, командир отдаёт приказ: «вольно», то есть прекратить шагать в ногу. Потому что мост, как и любая инженерная конструкция, тоже колеблется, конечно, не так, как качели, совсем незаметно. Но если колебания моста попадут «в такт» с шагающим строем солдат, то будут уже очень заметными. От такого раскачивания мост может даже рухнуть. Именно это и происходило с крыльями самолётов. Дело в том, что крыло в полёте тоже совсем незаметно колеблется.
А из-за колебаний крыла колеблется и обтекающий его поток воздуха, а значит, начинает с определённой частотой колебаться и подъёмная сила. И когда самолёт достигает определённой скорости, которая называется критической скоростью флаттера, эти колебанияподъёмной силы попадают «в такт» колебаний крыла. Такой резонанс и приводит к разрушению крыльев. Эта проблема была решена под руководством Мстислава Келдыша, видного советского математика и физика. Келдыш создал практический метод расчёта критической скорости флаттера, в зависимости от технических параметров крыльев (главным образом, их жёсткости). Дело в том, что у любого самолёта есть предел скорости, которую он просто не в состоянии превысить.
Пользуясь методом Келдыша, конструкторы рассчитывали, какой должна быть жёсткость крыла, чтобы критическая скорость флаттера была больше предельной скорости самолёта, то есть, чтобы самолёт никогда не достиг скорости, приводящей к флаттеру.
И авиастроителям оставалось только изготовить крылья с такой жёсткостью.
ВЕЗДЕСУЩИЙ УГЛЕРОД
Кішкентай микробтардан бастап, алып сүтқоректілерге дейін барлық тірі ағзаларға тән ортақ белгі — олардың жасушадан тұратыны, ал жасушалар болса, көміртегі атомдарының тізбегі негізінде құралған. Бұл теңдессіз элемент өзінің айрықша қасиеттерінің арқасында өте күрделі молекулалар мен полимерлерді тудыруға қабілетті.
Углерод – базовый элемент нашей планеты. Он занимает менее 0.1% от массы Земли, но это один из самых «активных» элементов планеты. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы Земли в другую. Основные запасы углерода на Земле находятся в атмосфере и в Мировом океане в виде углекислого газа – CO2 . Растения поглощают углекислый газ, затем в процессе фотосинтеза атом углерода образует разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее углерод остаётся в растениях, пока они не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу таким организмам, как грибы и термиты. Если же растения будут съедены травоядными животными, тогда углерод либо вернётся в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять теми же путями вернётся в атмосферу). Растения могут погибнуть и оказаться надолго под землёй. Тогда они превратятся в ископаемое топливо, например, в уголь, нефть, газ, известняк, торф и др.
Древо жизни
Как видите, в природе углерод встречается практически повсюду. Он является незаменимым участником всех химических процессов, происходящих c живыми организмами. Но и в повседневной жизни человечество не может отказаться от углерода. Ежедневно мы потребляем разнообразные материалы и вещества, содержащие углерод. Это нефтепродукты, горючее, топливо, полимерные материалы (каучуки, пластмасса, волокна, плёнки, лаки, клеи, одежда), а также красители, средства защиты растений, лекарственные препараты, вкусовые и парфюмерные добавки и т.д. Получается, что человеку без углерода – никуда! Итак, подавляющее большинство веществ, созданных природой и человеком, содержит углерод. Они называются органическими соединениями. На данный момент известно около 90 млн органических соединений, большинство из них созданы человеком.
«Баловень судьбы»
Углерод — особый элемент, потому что способен образовывать огромное многообразие органических соединений. А собственно, почему именно углерод оказался тем «счастливчиком», которому природа, а затем и человек, предоставили «эксклюзивное» право быть основой для разнообразных по своим свойствам веществ? И ещё: почему именно водород стал основным «напарником» углерода в органических соединениях? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно рассмотреть строение атомов углерода и водорода. Строение атома углерода можно представить в виде так называемой планетарной модели, которую предложил английский физик-химик Эрнест Резерфорд, получивший за это Нобелевскую премию. Атом представляет собой мини-солнечную систему, в центре которой находится «солнце» — положительно заряженное ядро, а вокруг вращаются планеты солнечной системы — электроны. Следует отметить, что планетарная модель атома углерода — это упрощённая модель. В действительности же, электроны в атоме углерода двигаются по несколько сложной траектории. Но мы используем планетарную модель, так как она наглядна и достаточна, чтобы объяснить, как взаимодействуют между собой атомы и как они связываются друг с другом. Но сначала рассмотрим группу элементов, атомы которых слабо взаимодействуют с атомами других элементов. Это благородные газы, такие как неон (Ne), аргон (Ar) и ксенон (Xe). В чём причина такого свойства? Всё дело в электронах!
У благородных газов (кроме гелия) во внешней оболочке ровно 8 электронов. Именно такое количество электронов делает электронную оболочку атома стабильной. Именно из-за этой «стабильности» атомы благородных газов не нуждаются в других электронах, у них всего достаточно. Углерод тоже «мечтает» стать благородным, поэтому он стремится заполнить свою внешнюю оболочку до 8 электронов. Ему необходимо ещё 4 электрона, чтобы он наконец стал благородным и успокоился. Водород тоже «мечтает» стать благородным. Но водороду легче, чем углероду: ему достаточно «добыть» себе один электрон, и он станет похож на благородный газ гелий (He) (у гелия, как и у водорода одна оболочка, но с двумя электронами). Получается, что и атомам углерода, и атомам водорода нужны электроны. Откуда же их взять? Собравшись вместе, атомы углерода и водорода начинают делиться своими электронами друг с другом. Нет, не думайте, что они начинают отдавать или принимать электроны. Ведь в таком случае, кто-то останется «обиженным», то есть без электронов. Атомы углерода и водорода поступают мудрее. Они подходят друг к другу и «говорят»: давай объединимся и сделаем наши электроны общими. Поскольку атому водорода нужен только один электрон, ему достаточно «договориться» с одним атомом углерода. А вот атому углерода придётся «потрудиться» и договориться с четырьмя.
Как проходят переговоры
Вариант 1. Атом углерода может «договориться», например, с четырьмя атомами водорода. Если «переговоры» прошли удачно, в этом случае получится газ метан CH4 (болотный газ). Как видите, у углерода 8 электронов, у атомов водорода — по 2. Все «довольны» и все могут делать вид, что они стали благородными. Электронная формула метана записывается таким образом:
Вариант 2. Атом углерода может «договориться» с одним атомом углерода и тремя атомами водорода. Тогда второму атому углерода надо будет присоединить к себе ещё три атома водорода. В этом случае получится газ этан — С2 Н6
Вариант 2.2. Иногда между атомами углерода возникает не одинарная, а двойная или тройная связь, то есть у них не одна общая пара электронов, а две или три. Тогда им для «полного счастья» нужно меньше атомов водорода. Например, этилен (С2 Н4 ) и ацетилен (С2 Н2 )
Вариант 3. Если к двум атомам углерода захочет присоединиться третий атом углерода — добро пожаловать! Получился газ пропан — С3 Н8
Вариант 4. Рассмотрим вещество гексан — С6 Н14. Он имеет линейный углеродный скелет. Если же атомы углерода «захотят», то они могут замкнуть кольцо, тогда получится газ циклогексан — C6 H12 или газ бензол — C6 H6 , молекулы которых имеют циклический углеродный скелет. Но на этом изобретательность атомов углерода не заканчивается. Они могут ещё образовывать разветвлённые углеродные скелеты.
Вариант 5. Есть газ бутан. Его молекула состоит из 4 атомов углерода и 10 атомов водорода — C4H10.
Разница в строении может сказываться не только на химических свойствах веществ, но и на физических, таких как запах. Например, возьмём довольно простое органическое соединение — ванилин и его изомер — изованилин. Ванилин — одно из наиболее известных душистых веществ, его приятный запах знаком каждому с детства. А изованилин при нормальных условиях почти не пахнет, если же его нагреть, распространится малоприятный запах, похожий на запах гуаши. Ароматы разительно отличаются, а разницы в составе нет — C8 H8 O3 Таким образом, благодаря особенностям атома углерода, его соединения с водородом и другими элементами весьма многочисленны и разнообразны, а органическая химия — одна из наиболее развитых фундаментальных наук. Она является основой многих дисциплин, таких как:
• биоорганическая химия,
• химия полимеров,
• нефтехимический синтез,
• фармацевтическая химия,
• фармакология и др.
