Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Возьмем, например, свитер, связанный из шерстяных или акриловых ниток ровными рядами. Рассмотрите внимательно разные предметы одежды – от носков и рубашек до платьев и пальто, – и вы увидите то же самое: основу и уток, которые в широком смысле являются аналогами рядов и колонок атомов, например, в куске железа. Но если этот кусок имеет одинаково жесткую структуру по всем направлениям (научно говоря, является изотропным), то ткани прочнее в одних направлениях, чем в других (анизотропны). Например, они легче тянутся по диагонали, чем по основе или утку, потому что сопротивление в диагональном направлении у них меньше. Дизайнеры и конструкторы одежды часто «искривляют» ткань так, чтобы основа и уток располагались по диагонали (так называемый косой крой). Такой крой особенно распространен в женской моде. Подобная одежда облегает тело, выгодно подчеркивая формы, и ткань натягивается в одних направлениях больше, чем в других[300].

Одежда изнашивается быстрее, чем стареют здания, – по вполне очевидным причинам. Трение быстро расправляется с коленями ваших брюк. Но это не единственная сила, которая атакует ваш гардероб. Если вы несколько раз согнете и разогнете скрепку для бумаг, она сломается, потому что повторные напряжения вызывают микротрещины в кристаллической решетке металла. То же происходит и с одеждой. Если вы будете постоянно складывать и разворачивать ее, то в местах сгибов ткань будет ослаблена и возникнет нечто похожее на усталость металла. Рубашки для офиса быстро изнашиваются в районе воротничка: когда вы надеваете галстук, вы постоянно его сгибаете. В итоге хлопковые нити теряют структуру, как атомы в скрепках, из-за повторных напряжений в одном и том же месте.

Как только структура ткани в одежде нарушается, физические силы довершают процесс ее уничтожения. Легкая поношенность на коленях брюк обязательно превратится в зияющие дыры. Почему? Потому что в результате образующейся слабости в ткани остающиеся нити должны выдерживать большие нагрузки, что приводит к их постепенному истончению и разрушению. Небольшое повреждение в джинсах действует так же, как разлом в шоколаде (глава 9) или трещина в фюзеляже самолета. Чем больше разрыв, тем больше напряжение на оставшихся волокнах и выше вероятность того, что разрыв увеличится. Силы минимальны тогда, когда минимален разрыв. Поэтому есть прочное научное обоснование под старой поговоркой «кто вовремя делает один стежок в прорехе, тот избавляет себя от девяти других стежков».

Наука вокруг ботинок

Наука проникает повсюду – даже под ваши ноги. Каждый, даже не очень уверенный шаг, который вы делаете, включает физику.

Если мы изучим задействованные силы, то увидим, что ходьба включает в себя отталкивание от твердой поверхности для движения вперед. Это великолепная иллюстрация третьего закона Ньютона о движении. Для эффективного движения нога должна плотно соприкасаться с землей. Это легче понять, если сравнить шину автомобиля и резиновую подошву ботинка. Точно так же, как шина отталкивается от дороги и двигает колесо вперед, ваша нога позволяет вам отталкиваться от земли, не поскальзываясь. Чем менее эффективно нога отталкивается, тем труднее ей двигаться вперед. Нам трудно перемещаться по скользким поверхностям вроде льда или мокрых полов и по мягким покрытиям типа песчаных пляжей. При таком движении нога проскальзывает назад, и вы либо теряете равновесие, либо прилагаете дополнительные усилия для движения вперед. Именно поэтому ходьба по песку или снегу отнимает в два, а то и в три раза больше энергии, чем ходьба по твердой поверхности[301]. Если обувь, в которой вы двигаетесь, вмешивается в процесс, возникают новые проблемы. Всегда труднее идти в сандалиях или вьетнамках: даже отталкиваясь от земли, они неравномерно движутся вокруг ваших ног, усложняя процесс отталкивания и продвижения вперед. Также очень важен размер вашей обуви. Свободная, просторная обувь более комфортна, чем плотная, но в ней труднее идти, поскольку не создается отталкивающая сила, которая продвигает вас вперед.