Изобретения Дедала

Итак, в предельном случае давление, создаваемое парами на любой высоте, равно давлению насыщающих паров (ДНП) жидкости на данной высоте. Поэтому, если в верхнем сечении ДНП жидкости при температуре Т равно р, то в нижнем сеченин, где температура равна Т+δТ, ДНП должно быть равно р+δр. Изменение ДНП жидкости с температурой хорошо описывается уравнением Клапейрона — Клаузиуса: δр = λрδТ/(РТ²), где λ — скрытая теплота испарения. Приравнивая между собой два выражения для δр, получим λpδT/(RT²) = (pm/RT)gδh, откуда m = (δТ/δр) λ (Tg) кг/моль.

Большинство жидкостей подчиняется эмпирическому правилу Трутона, согласно которому λ/Т равно приближенно 92 Дж/(моль•К), где Т — температура кипения (как всюду в нашей равновесной среде). Подставляя сюда температурный градиент стандартной модели атмосферы δT/δh = 6,5×10^-3 К/м и g = 9,81 м/с², получим m = 6,5 × 10^-3 × 92/9,81 = 0,061 кг/моль = 61 г/моль.

Таким образом, нам может подойти только жидкость с молекулярной массой меньше 61, если только какие-то факторы, не учтенные в этих вычислениях, не будут играть нам на руку.

Попробуем проверить наши выводы для некоторых рабочих тел. Во-первых, «масштаб высоты» (соответствующий изменению давления в е раз) для идеального газа, если считать температуру постоянной, определяется соотношением Н = RT/gm. Тогда:

а. Аммиак (М=17, m = 0,017, Н = 13 600 м). На вершине горы Кения при -18°C аммиак конденсируется при давлении 2,2 атм; тогда у подножия горы, т. е. на 5000 м ниже, его давление р = 2,2 ехр(5000/13 600) = 3,2 атм. При таком давлении аммиак кипит при температуре -7°C. Следовательно, стекающий вниз жидкий аммиак будет кипеть в условиях тропической жары. Но, к сожалению, для этого требуется слишком высокое давление.

б. Метиламин (M = 31, m = 0,031 и Н = 7500 м). На вершине горы Кения при -18°C метиламин конденсируется при давлении 0,6 атм, а у подножия горы, т. е. на 5000 м ниже, давление в трубе составит р = 0,6 ехр(5000/7500) = 1,2 атм; при этом давлении метиламин кипит при температуре -5°C. Далее, поскольку давление воздуха на вершине горы равно 0,54 атм, а у подножия — 1 атм, давление внутри трубы на всем ее протяжении будет близко к наружному; поэтому трубопровод получится достаточно изящным и легким. По-видимому, метиламин вполне подходит для нашей цели.

Муравьи и алгоритмы

Традиционные методы расчета инженерных сооружений — сначала вычисляются максимальные нагрузки, которые будет испытывать конструкция, а затем вводится дополнительный запас прочности — оказываются слишком трудоемкими и дорогостоящими. Дедал пытается найти способ устранить любой элемент случайности и избежать опасности, таящейся в скрытых дефектах конструкции путем измерения реальных нагрузок и соответствующей подгонки сооружения. В этой связи Дедал вспоминает о загадочных повадках термитов. Эти прожорливые точильщики не грызут дерево с поверхности, а проделывают внутри сеть сложнейших лабиринтов, так что оставшаяся оболочка рассыпается в прах при малейшем прикосновении. Дедал приходит к заключению, что эти хитроумные существа должны каким-то образом чувствовать внутренние напряжения в дереве, которое они грызут, и знают, когда дальнейшее разрушение может привести к катастрофическому обвалу[38]. Известно, что термиты способны переваривать дерево благодаря особой микрофлоре в их желудке (Tricho-nympha). Дедал предлагает заменить эту микрофлору другими микроорганизмами. Как известно, в последнее время появилось множество микроорганизмов, которые питаются новыми материалами, созданными человеком. Обнаружены микробы, поедающие пластмассы; грибки, живущие на стекле или алюминии, и т. п. — их-то и следует, считает Дедал, поселить в желудках термитов. Тогда, подвергнув фюзеляж самолета или какую-либо другую важную конструкцию действию максимальных предполагаемых нагрузок, следует напустить туда термитов. Термиты выберут весь излишек металла, оставив после себя губчатую структуру, обеспечивающую заданную прочность при минимальном весе. Благодаря своей способности чувствовать внутренние напряжения в материале термиты смогут «учесть» все конструктивные и производственные дефекты конструкции. Единственная сложность будет, по-видимому, состоять в том, чтобы не дать насекомым разбежаться после того, как они выполнят свою задачу, ибо трудно даже представить себе, какие разрушения они способны произвести, вырвавшись на волю. Но при действии тепла микрофлора в желудке термитов уничтожается раньше, чем они сами, и насекомые погибают от несварения желудка. Дедал надеется вывести нетеплостойкие виды микробов, разрушающих металл, тогда термитов можно будет обезвредить тепловой обработкой.

New Scientist, July 14, 1966