Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Цукер собрал 1200 писем, которые предстояло переслать в ходе испытательного полета. На каждом из них красовалась специальная марка, которая гласила: Western Isles Rocket Post («Ракетная почта западных островов»). Цукер упаковал в ракету столько писем, сколько поместилось, установил ее на стартовый стол, обвел взглядом возбужденную толпу местных жителей и одну из первых телевизионных камер BBC. Торжественный момент наступил.

После нажатия кнопки «Пуск» батарея обеспечила поджигание взрывчатого вещества. Быстрое сгорание создало внутри медной трубки ожидаемую смесь раскаленных газов, молекулы которых начали с огромными скоростями бомбардировать переднюю часть ракеты, сдвигая ее со стартового стола и отправляя в полет. Но буквально через пару секунд послышался громкий звук удара и ракета исчезла в облаке дыма. Когда дым рассеялся, зрители увидели сотни писем, разбросанных по земле и трепещущих под порывами ветра. Асбестовая защитная оболочка справилась со своей задачей, а ракета – нет. Поведением раскаленного газа, находящегося под большим давлением, очень трудно управлять, и его молекулы разорвали корпус ракеты. Цукер объяснил неудачу эксперимента недостаточной прочностью кассеты со взрывчатым веществом, после чего занялся сбором второй порции писем и подготовкой ко второму испытанию.

Через несколько дней 793 уцелевших после первого испытания письма и 142 новых были помещены во вторую ракету, которую решили запустить с другого острова, Харрис, в направлении острова Скарп. Но удача отвернулась от Цукера. Вторая ракета также взорвалась на стартовом столе, причем на этот раз взрыв оказался еще мощнее. Уцелевшие письма были снова собраны и отправлены получателям обычной почтой; они, с их обожженными краями стали чем-то вроде сувениров. От проведения дальнейших испытаний Цукер после этого отказался. В течение следующих нескольких лет он безуспешно искал причины своих неудач и улучшал конструкцию ракеты. Он упорно убеждал себя и других, что в следующий раз у него наверняка получится. Увы, не получилось[7]. По крайней мере, с почтовой ракетой. Цукер пытался совершить прорыв в непознанное, но, как теперь стало понятно, возможно, выбрал не самые подходящие время, место или идею. Если бы были выполнены все три условия, мы бы назвали Цукера гением. Но «малая ракетная техника», к которой относится почтовая ракета Цукера, была слишком хлопотным, дорогостоящим и ненадежным способом быстрой доставки почты. Она не выдержала конкуренции с моторизованным транспортом и телеграфом. Тем не менее Цукер был прав: использование раскаленного, находящегося под большим давлением газа в качестве движущей силы обладает огромным потенциалом в деле доставки объектов из пункта A в пункт B. Однако раскрытием такого потенциала занялись другие люди, которые воспользовались этим принципом, нашли для него подходящее применение и решили практические проблемы, что привело их в конечном счете к успеху. Конструирование ракет стало уделом военных: немецкие ракеты «Фау-1» и «Фау-2», использовавшиеся в годы Второй мировой войны, указали направление, в котором должны вестись разработки ракетной техники. В послевоенное время начали интенсивно развиваться гражданские программы освоения космического пространства.

В наши дни всем хорошо знакомы фотографии гигантских ракет, доставляющих на Международную космическую станцию людей и огромные грузы или выводящих на околоземную орбиту спутники. Современные ракеты поражают воображение своими масштабами, а современные системы управления делают их вполне безопасными и надежными, и это огромное достижение человеческой мысли. Однако базовый механизм, положенный в основу каждой ракеты – «Союз», Saturn V, Arianne или Falcon 9, – остается тем же, что и в почтовой ракете Герхарда Цукера. Если вам удастся достаточно быстро выработать соответствующее количество раскаленного газа под высоким давлением, то вы сможете использовать огромную кумулятивную силу, исходящую от миллиардов отдельных молекул, бомбардирующих определенную поверхность. Давление, создаваемое на первой стадии полета ракеты «Союз», приблизительно в шестьдесят раз превышает атмосферное давление, в результате чего сила тяги в шестьдесят раз больше обычной силы давления воздуха. Но в том и другом случае природа силы та же: бомбардировка молекулами газа той или иной поверхности. Огромные количества таких молекул, соударяющихся с достаточными частотой и скоростью, могут даже обеспечить полет человека на Луну. Никогда не следует недооценивать возможности частиц, столь ничтожных по своим размерам, что их нельзя увидеть невооруженным глазом!

Молекулы газа всегда с нами. Земная атмосфера окружает нас, воздействует на нас, оказывает на нас давление и обеспечивает нам жизнь. Замечательное свойство земной атмосферы – это то, что она нестатична и пребывает в постоянном движении и изменении. Окружающий нас воздух невидим, но если бы мы могли его видеть, то увидели бы, как его огромные массы поднимаются в результате нагрева и опускаются вследствие охлаждения, как он расширяется и сжимается, находясь в непрерывном движении. Процессы, происходящие в атмосфере, как и в любой другой совокупности молекул газа, подчиняются газовым законам, которые мы рассматриваем в этой главе. Хотя окружающий нас воздух на первый взгляд не имеет ничего общего с тем, что содержится в легких кашалота или паровом двигателе, он оказывает на нас физическое воздействие. Но поскольку он также находится в окружении воздуха, это означает, что он воздействует сам на себя, приспосабливаясь к изменяющимся условиям. Мы не можем видеть подробностей процессов, происходящих в окружающем нас воздухе, но у нас есть название их последствий: погода.

Идеальное место для наблюдения за ураганом – обширная открытая равнина. Еще вчера воздух мог быть спокойным, а бескрайний голубой простор над головами – казаться вечным. Невидимые молекулы воздуха концентрируются ближе к поверхности земли. Чем дальше от нее, тем разреженнее воздух. Воздушные массы постоянно сталкиваются между собой, перемешиваются и перестраиваются, пребывая в непрерывном движении. Они перемещаются из областей высокого давления в области низкого, реагируя на нагрев и охлаждение, и все время устремляются то в ту то в другую сторону. Но эти изменения происходят довольно медленно и спокойно. Ничто даже не намекает на перенос молекулами воздуха огромного количества энергии.

День, когда происходит ураган, начинается так же, как и предыдущий, только небо обычно еще яснее, чем накануне, поэтому земля прогревается гораздо быстрее. Молекулы воздуха принимают на себя часть этой энергии и ускоряются. Ближе к полудню надвигается плотная облачность, захватывая по мере своего приближения все большую часть небосвода, и вскоре застилает весь горизонт. Наблюдается интенсивный обмен энергией. Разность давлений толкает это газообразное архитектурное сооружение по равнине. Вследствие его неустойчивости нарастает напряжение. Хотя молекулы воздуха с большой силой соударяются друг с другом, им не хватает времени перестроиться в более сбалансированную структуру. Наряду с этим происходит интенсивное перемещение огромного количества энергии, поэтому ситуация непрерывно меняется. Воздух, нагревшийся у поверхности земли, поднимается, достигает облаков, продирается сквозь них и выстраивает поверх них все новые и новые сооружения.