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

Ветер бывает порывистым, но он не толкает здание в строго определенном ритме, который может совпасть с собственной частотой здания, поэтому его раскачивание происходит лишь с очень небольшой амплитудой. Но толчки, вызываемые землетрясением, приводят к распространению «ряби» по земной поверхности. Эти громадные волны расходятся от эпицентра землетрясения в виде концентрических кругов, медленно покачивая земную поверхность из стороны в сторону. Что происходит с высоким зданием в случае землетрясения?

Утром 19 сентября 1985 года Мехико-Сити пришел в движение. Тектонические пласты под Тихоокеанским побережьем, в 400 километрах от города, начали громоздиться друг на друга, вызывая землетрясение магнитудой 8 баллов по шкале Рихтера. В Мехико-Сити толчки ощущались на протяжении приблизительно трех-четырех минут. Этого оказалось достаточно, чтобы город превратился в груду развалин. В тот день, по некоторым оценкам, с жизнью попрощались около десяти тысяч человек, а инфраструктуре города был нанесен колоссальный урон. На восстановление города ушло несколько лет. Чтобы оценить масштаб ущерба, Национальное бюро стандартов США, а также Служба геологии, геодезии и картографии США направили в Мехико-Сити бригаду из четырех инженеров и одного сейсмолога. Согласно составленному ими подробному отчету, причиной беспрецедентных разрушений стало шокирующее совпадение частот.

Прежде всего Мехико-Сити расположен на вершине, состоящей из осадочных пород, которые сформировались на дне озера и заполняют впадину, образованную твердыми скальными породами. Устройства контроля за развитием землетрясения показывали замечательные регулярные волны с единой частотой, хотя обычно у импульсов землетрясения гораздо более сложный характер. Оказалось, что особое геологическое строение осадочных пород озера придало им определенную собственную частоту колебаний, в результате чего они усиливали любые волны длительностью примерно две секунды. Впадина, заполненная осадочными породами, на которых был построен Мехико-Сити, на короткое время превратилась в столешницу, вибрирующую практически с неизменной частотой.

Усиление наблюдаемых колебаний оказалось значительным. Но при анализе конкретных повреждений инженеры обнаружили, что количество этажей у большинства разрушенных или сильно поврежденных зданий находилось в диапазоне от пяти до двадцати. Более высокие или, наоборот, низкие здания (а таких в городе было немало) практически не пострадали. Инженеры пришли к выводу, что собственная частота землетрясения почти совпадала с собственной частотой зданий средней этажности. Подвергаясь воздействию длительных регулярных толчков землетрясения, практически совпадающих с собственной частотой таких зданий, они начинали вибрировать, подобно камертонам, и в конце концов не выдержали напора стихии.

В наши дни архитекторы очень серьезно относятся к вопросу «настройки» собственной частоты проектируемых зданий. В Тайбэе 101 – 509-метровом небоскребе на Тайване, который в период с 2004 по 2010 год был самым высоким зданием на планете, – самой большой популярностью среди туристов пользовались смотровые галереи на этажах с 87-го по 92-й. В этой части здания нет офисов и подвешен 660-тонный сферический маятник, выкрашенный «под золото» – очень замечательная и чрезвычайно практичная вещь. Этот необычный маятник не только привлекает туристов, но и повышает устойчивость здания к землетрясениям. Его техническое название – настраиваемый амортизирующий груз. Идея маятника заключается в том, что во время землетрясений (рядовое событие на Тайване) здание и маятник раскачиваются независимо друг от друга. Когда начинается землетрясение, здание клонится в одну сторону и тянет за собой сферический маятник. Но к тому времени, когда маятник сместится в том же направлении, здание уже клонится в другую сторону и тянет сферический маятник обратно. Таким образом, сферический маятник всегда тянет в сторону, противоположную стороне наклона здания, в результате чего амплитуда его раскачиваний уменьшается. Размах раскачиваний сферического маятника составляет 1,5 метра в том и другом направлении, а его использование позволяет сократить раскачивание здания примерно на 40 %[46]. Люди, находящиеся в здании, чувствовали бы себя намного комфортнее, если бы оно вообще не раскачивалось. Но землетрясения выводят здания из состояния равновесия и раскачивание неизбежно. Архитекторы не в состоянии его полностью предотвратить, но могут кое-что предпринять для его максимально возможного гашения. У обитателей здания нет иного выбора, кроме как усесться поудобнее, ухватиться за поручни своих кресел и ждать окончания землетрясения.

⁂

Физический мир всегда стремится к состоянию равновесия. Этот фундаментальный физический закон известен как Второй закон термодинамики. Но нигде не сказано о том, как быстро физический мир должен туда добраться. Каждое новое «впрыскивание» энергии отдаляет физический мир от состояния равновесия, прикрывает ворота и вынуждает процесс начинаться сначала. Само существование жизни возможно лишь потому, что она использует эту систему для регулирования энергии путем управления скоростью потока в направлении равновесия.

Растения – по-прежнему неизменные спутники моей жизни, хотя сейчас я и живу в большом городе. Из кухни я могу наблюдать, как яркий солнечный свет падает на рассаду салата-латука, землянику и травы, растущие у меня на балконе. Солнечный свет, попадающий на деревянную обшивку, поглощается деревом, которое нагревается, и это тепло в итоге постепенно рассеивается через воздух и стены здания. Равновесие достигается довольно быстро, и на этом пути ничего особенного не происходит. Но солнечный свет, попадающий на листья кориандра, оказывается на небольшой химической фабрике. Вместо того чтобы преобразовываться непосредственно в тепло, он направляется на обслуживание процесса фотосинтеза. Растение использует солнечный свет, чтобы вывести молекулы из состояния равновесия, и поэтому приберегает энергию солнечного света для своих потребностей. Управляя простейшим путем назад к равновесию, механизм растения применяет эту энергию поэтапно, для создания молекул, которые ведут себя как химические батареи, а затем использует их для преобразования двуокиси углерода и воды в сахара. Это похоже на фантастически сложную систему каналов переноса энергии, содержащую множество ворот шлюзов, обходных маршрутов, водопадов и водяных колес, а поток энергии контролируется путем изменения скорости прохождения каждого участка. Вместо того чтобы продвигаться беспрепятственно вниз, энергию заставляют строить на этом пути сложные молекулы. Они не пребывают в равновесии, но растение может запасать их до тех пор, пока ему не понадобится их энергия, а потом направляет их туда, где они могут сделать следующий шаг в сторону равновесия, затем – следующий шаг и т. д. Пока солнечный свет попадает на листья кориандра, он поставляет энергию, поддерживающую эту фабрику в действии, постоянно выполняющей очередные шаги по направлению к равновесию каждый раз, когда впрыскивание энергии приводит в движение ворота шлюза. В конце концов, я съем кориандр, и это впрыснет энергию в мою систему. Я использую ее, чтобы вывести собственный организм из равновесия, и пока буду потреблять пищу, система не сможет за мной угнаться. Равновесие не будет достигнуто. Но я сама решаю, когда мне есть, а мой организм решает, когда использовать эту энергию, причем все это осуществляется путем управления воротами шлюза.