Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Если вам посчастливилось выйти из ДТП невредимым, скажите спасибо за то, что конструкция многих современных автомобилей способна поглощать при ударе максимум энергии, минимизировать действие внешних сил на пассажиров и спасать их жизни. Чем хуже выглядит машина после аварии, тем сердечнее стоит поблагодарить судьбу. Вы выживаете за счет того, что гибнет машина. Современный автомобиль жертвует собой, чтобы спасти вас. Теоретически человек может создать неразрушимые машины, которые из всех ДТП будут выходить только с царапинами. Но в этом случае не будет объекта, который «высасывает» энергию столкновения, воздействующие на вас силы будут огромными и даже небольшой удар может оказаться роковым[32].

Ожог чайником

Тот же принцип применим и к ситуации, когда вы обжигаетесь чайником: энергия кипящей воды должна куда-то уйти, и она уходит в ваши пальцы, поражая живую плоть. Пар при температуре 100 °C содержит гораздо больше энергии, чем кипящая вода той же температуры. Ведь для отделения молекул воды друг от друга в паре необходимо вложить в него большую энергию. Если ваша рука попадает в струю пара, она испытывает двойное поражающее действие высокой температуры. Сначала она абсорбирует ее и превращает пар в кипящую воду, а затем охлаждает воду до температуры вашего тела.

Падение с лестницы

Чтобы забраться на строительную лестницу, нужна энергия. Если вы упадете с нее, то эта энергия (которая называется потенциальной, поскольку существует в накопленном виде и ее можно использовать в будущем) должна будет высвободиться и куда-то перейти. Она и перейдет – в ваше тело. Если вы забираетесь по лестнице на крышу дома (высота около 10 м) и весите 75 кг, то потенциальная энергия составит 7500 Дж[33]. Стоит вам сорваться с лестницы и при падении удариться головой о бетон при длительности импульса удара около 0,1 секунды, на ваше тело обрушится мощность в 75 000 Вт (75 кВт). Сила, которая будет при этом воздействовать на вашу голову, обратно пропорциональна времени воздействия: чем быстрее уйдет энергия, тем больший ущерб она нанесет. Если вы подставите числа в соответствующее уравнение, то получится, что при ударе на вашу голову будет действовать такая же сила, как если бы на ней сомкнулись челюсти крокодила[34]. Этого достаточно, чтобы сломать кости и даже убить человека. Почему же вам может быть нанесен такой ущерб? Почему вы можете даже погибнуть? Потому что энергия должна перейти в другую форму и переместиться на другой объект.

Вверх и вниз по лестнице в вашем доме

Разговоры о джоулях, ваттах и даже – что для вас, наверное, важнее – о деньгах четко доказывают: для всего, что мы делаем, нужна энергия, и ее надо выработать, затратив некие ресурсы. Это неприятная сторона закона сохранения энергии. Но есть и хорошая новость. Использование энергии не всегда настолько же бессмысленно, как сжигание денег для получения тепла: иногда мы можем получить ее назад.

Если вы заберетесь вверх по лестнице в своем доме, то превратите потребленную вами пищу в энергию, в «хитрую» ее разновидность – потенциальную, которую можно использовать для различных целей. Если вы удачливы (и эксцентричны), то можете установить дома пожарный шест и спускаться по нему со второго этажа на первый. При этом вы переведете свою потенциальную энергию в вид кинетической (движение и скорость). Теоретически вы можете устроить сложное ременно-шкивное устройство (что-то вроде колеса для хомячка), которое будет сообщать вращение ротору и преобразовывать вашу кинетическую энергию от движения вниз в энергию электрическую. Разумеется, поскольку на каждом этапе процесса будут иметь место потери энергии (например, в виде тепла и звуков от трения), вы не произведете столько электрической энергии при спуске, сколько генерировали потенциальной энергии при подъеме. Но все равно какую-то часть энергии вы сохраните. Что точно невозможно – так это вернуть обратно изначальный источник всей этой энергии, калорийное печенье. Хотя закон сохранения энергии и допускает это, мы пока не придумали способа возвращать из небытия еду после спуска с Эмпайр-стейт-билдинг (которую вы потребили перед восхождением вверх). Это важный урок для всех нас. Большая часть энергии, которую мы используем – в наших голодных желудках и прожорливых спортивных машинах, – исчезает бесследно, унося бесценные ресурсы (подробнее об этом см. главу 13 и главу 14). Энергия очень ценна. В Земле сосредоточено определенное конечное ее количество, и нам нужно очень тщательно продумывать ее использование еще до того, как мы потеряем какую-то ее часть.