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

Всему, что раскачивается (колеблется, осциллирует), присуща собственная частота колебаний. Поправки вносит конкретная ситуация, а также связь между размером силы, обусловливающей возвращение в состояние равновесия, и скоростью, с которой оно происходит. Ребенок, раскачивающийся на качели, – один из примеров, наряду с маятником, метрономом, креслом-качалкой и камертоном. Когда вы катите тележку с покупками в супермаркете и она начинает раскачиваться в темпе, не соответствующем темпу вашей ходьбы, это объясняется лишь тем, что она раскачивается с собственной частотой колебаний. Большие колокола издают звуки низкой частоты, потому что, исходя из их размеров, им требуется больше времени на сдавливание, распрямление и повторное сдавливание. Именно этим обусловлено низкочастотное звучание таких колоколов. Мы получаем огромный объем информации о размерах объектов, прислушиваясь к их звучанию, в первую очередь к тональности испускаемых ими звуков.

Эти особые масштабы времени очень важны для нас, так как мы можем их использовать для управления теми или иными процессами в физическом мире. Если мы не хотим, чтобы амплитуда колебаний нарастала, нам нужно позаботиться о том, чтобы «подталкивание» системы не происходило на ее собственной частоте. Это похоже на мои эксперименты с чаем. Но если мы хотим, чтобы колебания продолжались без особых усилий с нашей стороны, то «подталкивание» системы должно происходить на ее собственной частоте. Этим пользуются не только люди, но и собаки.

Поза Инки выражает максимальную сосредоточенность и готовность. Все ее внимание сконцентрировано на теннисном мячике; она похожа на спринтера, ожидающего выстрела стартового пистолета. Когда я поднимаю вверх руку с мячиком, Инка напрягается, а когда бросаю мячик далеко вперед, она срывается с места и стремглав мчится за ним, вызывая в моем воображении картину сгустка безграничной энергии и энтузиазма. Пока собака несется по лужайке за мячиком, я продолжаю беседовать с ее хозяином, Кэмпбеллом. Инка не приносит брошенный мною мячик, потому что держит в зубах второй теннисный мячик, но, подбежав к нему, усаживается и «охраняет» его, пока мы с Кэмпбеллом не подойдем и не швырнем этот мячик еще дальше. После получаса таких пробежек Инка усаживается, энергично виляя хвостом по траве. Она часто дышит, свесив язык набок, и внимательно наблюдает за нами.

Я присаживаюсь на корточки и глажу ее по спине. От всей этой беготни собаке стало жарко. Разумеется, она не вспотела (собаки вообще не потеют), но ей хочется избавиться от лишнего тепла. Наблюдая за учащенным дыханием собаки, вам может показаться, что это ей дается нелегко. Создается впечатление, что она тратит при этом много энергии, что приводит к дополнительному перегреву. Парадокс, не правда ли! Инка с благодарностью принимает мои поглаживания, из ее раскрытой пасти свисает тонкая нитка слюны. После обычной утренней пробежки мне требуется какое-то время, чтобы восстановить нормальный ритм дыхания, но Инка мгновенно прекращает учащенно дышать. Она внимательно смотрит на меня своими большими карими глазами, и я задумываюсь, сколько еще времени ей нужно, чтобы восстановить силы и приступить к новому раунду погони за теннисными мячиками.

Самый эффективный способ избавиться от перегрева сводится к испарению воды. Именно поэтому мы потеем. На превращение жидкой воды в газ уходит очень много энергии, после чего газ улетучивается, унося с собой эту энергию. Поскольку собаки не потеют, они не вырабатывают на своей шкуре воду, которая могла бы испаряться, но в их носовом ходе имеется достаточно воды. Учащенное дыхание – не что иное, как проталкивание как можно большего количества воздуха сквозь влажный носовой ход, что позволяет максимально быстро избавиться от лишнего тепла. Словно решив продемонстрировать нам правильность такого вывода, Инка снова начинает учащенно дышать. Мне удается подсчитать, что каждую секунду она совершает примерно три вдоха-выдоха. Может сложиться впечатление, что это отнимает у нее немало сил, хотя на самом деле это не так. Легкие собаки ведут себя как генератор колебаний. Три вдоха-выдоха за секунду – самая эффективная для нее частота дыхания, так как соответствует собственной частоте легких собаки. Когда собака делает вдох, эластичные стенки ее легких расширяются, а спустя мгновение сжимаются с силой, достаточной для повторения дыхательного цикла. В тот момент, когда легкие возвращаются к нормальному, нерастянутому размеру, собака прилагает лишь минимальное усилие, чтобы инициировать очередной цикл их расширения-сжатия. Обратная сторона такого дыхательного процесса заключается в том, что, когда собака дышит так часто, она не успевает замещать воздух в глубине легких, поэтому в процессе дыхания фактически не успевает вдыхать необходимое количество дополнительного кислорода. (Именно поэтому собака не дышит так все время.) Но когда собаке нужно избавиться от лишнего тепла, она готова поступиться каким-то количеством нужного ей кислорода. Расширяя и сжимая легкие с наиболее подходящей для них частотой, собака прогоняет через свой нос максимально возможный для себя объем воздуха, прилагая для этого минимальные усилия. Таким образом, учащенное дыхание вырабатывает очень незначительное количество тепла по сравнению с теплом, которое собака теряет в процессе такого дыхания. Собака дышит через нос, однако ее пасть при этом широко открыта, потому что слюноотделение также охлаждает собаку. Испарение слюны помогает ей избавиться от какой-то части тепловой энергии. Учащенное дыхание снова останавливается, и Инка поглядывает на теннисный мячик. Достаточно лишь одного вопросительного взгляда на Кэмпбелла, чтобы игра возобновилась.

Собственная частота того или иного объекта зависит от его формы и материала, из которого он изготовлен. Но самый важный фактор – размер. Вот почему маленькие собачки дышат еще быстрее. Их легкие очень малы; соответственно, частота их расширения-сжатия существенно выше. Учащенное дыхание – очень эффективный способ избавления от лишнего тепла, если ваши размеры невелики. Но эффективность снижается по мере их увеличения. Возможно, именно этим объясняется то обстоятельство, что более крупные животные – в том числе люди – потеют (особенно если их тело не покрыто шерстью).

Каждому объекту присуща собственная частота, причем иногда таких частот может быть несколько, если возможны разные картины вибрации. Когда объекты увеличиваются в размерах, эти частоты обычно снижаются. Чтобы привести в движение очень массивный объект, требуется толчок значительной силы, но даже здание может вибрировать – правда, с очень-очень низкой частотой. Вообще говоря, здание может вести себя как метроном – наподобие маятника, перевернутого вверх тормашками (фундамент зафиксирован, а верхушка колеблется из стороны в сторону). Вверху скорость ветра выше, чем внизу, и этого вполне достаточно, чтобы придать высокому и узкому зданию нечто вроде толчка, который вызовет раскачивание здания с его собственной частотой. Если вам приходилось в очень ветреный день бывать на верхних этажах небоскребов, то вы, наверное, ощущали эти раскачивания. Один цикл такого раскачивания может занимать пару секунд. Те, кто в такие моменты находится внутри высотных зданий, испытывают не самые приятные ощущения, поэтому архитекторам приходится искать способы сократить раскачивания. Полностью избавиться от них невозможно, но можно по крайней мере изменить собственную частоту и гибкость зданий, чтобы сделать раскачивания менее заметными. Если вы вдруг почувствуете, что здание, в котором находитесь, раскачивается под напором ветра, не волнуйтесь – здание проектируют таким образом, что оно может несколько изгибаться, но это вовсе не означает, что оно рухнет.