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

Если смотреть на него снизу вверх, он кажется величественным и безмятежным: высокая белая опора, на которой крепятся элегантные вращающиеся лопасти. Но эта мирная и безмятежная картина исчезает, как только вы вступаете в основание башни. Внутри царит низкое, сильное гудение. Вам кажется, что вы попали внутрь какого-то гигантского музыкального инструмента. Я побывала на одной из таких ветротурбин, расположенных в Своффэме, на востоке Англии. Это один из немногих ветряков, открытых для посещения туристами (в определенные часы). Возможно, вам понадобится немало времени, чтобы добраться до него, но уверяю, вы не пожалеете о времени, потраченном на поездку.

Взбираясь по винтовой лестнице внутри башни, вы слышите, как гудение то усиливается, то ослабевает. Вы можете даже почувствовать, как все это сооружение содрогается под напором ветра. По мере приближения к вершине башни ваши глаза улавливают вспышки света: это солнечный свет отражается то в одной, то в другой лопасти ветряка. Поднявшись на самый верх башни, на высоту 67 метров, вы попадаете в закрытую галерею кругового обзора, расположенную непосредственно под ступицей турбины. От ощущения покоя и безмятежности не остается и следа. Три гигантские лопасти, каждая длиной 30 метров, вращаются с такой мощью, что при взгляде на них не остается никаких сомнений, что из этого вращения можно извлечь немалую энергию. На то, как ветер усиливается и ослабевает, гудение и скорость вращения лопастей реагируют практически мгновенно. Это само по себе уже способно произвести сильное впечатление.

Но самое главное скрывается в белом мундштуке – той части механизма, которая находится за лопастями. При взгляде вверх можно увидеть вращающуюся ступицу турбины. Прямо у меня над головой ее край, ближайший к башне, плавно вращается вокруг неподвижного внутреннего кольца. Этот край ступицы обложен сильными постоянными магнитами; таким образом, они вращаются вокруг внутренней части ступицы. А неподвижное внутреннее кольцо обложено катушками из медного провода, каждая из которых подсоединена к соответствующей электрической цепи. В ходе движения каждого магнита мимо катушек провода в проводе возникает электрический ток. Несмотря на то что магниты и провода не соприкасаются между собой, энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, вырабатываемую в проводах катушек. Вращение лопастей ветряка обеспечивает движение магнитов мимо катушек провода, а законы электромагнитной индукции создают в каждой из катушек электрический ток. Именно так вырабатывается электрическая энергия в ветротурбинах.

Те же законы электромагнитной индукции применяются на всех наших электростанциях независимо от исходного источника энергии, которым может служить уголь, мазут, ядерная энергия или энергия волн. Какой бы ни была исходная энергия, ее задача – обеспечивать движение магнитов мимо катушек провода, в результате чего исходная энергия преобразуется в электрическую. Прелесть ветротурбины в том, что энергия ветра преобразуется непосредственно в электрическую энергию. В теплоэлектростанции, работающей на угле, вода нагревается и превращается в пар, который вращает лопатки паровой турбины, а та, в свою очередь, вращает магниты. Конечный результат тот же, но для его достижения приходится использовать дополнительные преобразования энергии. Каждый раз, включая какой-либо электрический прибор, вы потребляете энергию, которая возникла вследствие того, что движение магнита мимо катушки с медным проводом вызывало в этом проводе упорядоченное движение электронов. Электричество и магнетизм неразделимы. Наша цивилизация использует энергию, которая вырабатывается электромагнитной индукцией, вызываемой движением электрического проводника в магнитном поле. Мы научились ловко скрывать процессы генерации электроэнергии, пуская ее по руслу экранированных проводов, прокладываемых в стенах зданий, и электрических кабелей, зарытых в земле. Мы настолько преуспели в маскировке этих процессов, что ребенок, родившийся в наши дни, может никогда в жизни не увидеть и не пощупать собственными руками, что такое электричество и магнетизм. Будущие поколения вообще могут быть лишены возможности наблюдать непосредственные проявления электромагнетизма и не смогут оценить их элегантность и важность для человечества: невидимый покров прогресса надежно скроет их от нас. Тем не менее мы всегда должны помнить о них, поскольку в наше время ткань человеческой цивилизации прочно сшита электромагнитными нитями.

Каждый из нас полагается в жизни на три системы жизнеобеспечения: наше тело, планета Земля и человеческая цивилизация. Параллели между ними очевидны, поскольку все они существуют в рамках одной и той же физической системы. Обрести более глубокое понимание этих систем – наверное, лучшее из того, что мы можем сделать для сохранения жизни на планете и обеспечения процветания нашей цивилизации. Вряд ли что-либо другое может быть более прагматичным и вдохновляющим, чем такая задача. Вот почему последняя глава представляет собой некий общий обзор, посвященный описанию указанных трех систем. Рассмотрим каждую из них в отдельности.

Человек

Я дышу, как и все другие люди. Наш организм нуждается в молекулах кислорода и получает их из окружающего воздуха. При каждом выдохе мы избавляем организм от углекислого газа. Каждый из нас существует в собственной, личной системе жизнеобеспечения, коей есть наше тело. Оно представляет собой сочетание внутреннего содержания и наружной оболочки. Внутреннее содержание может выполнять множество функций, однако лишь при условии определенной «подпитки» извне, а это энергия, вода и молекулярные строительные блоки, необходимые человеческому организму. Дыхание – лишь один из маршрутов, по которым она осуществляется. Процесс дыхания восхитителен сам по себе: вы расширяете грудную клетку, увеличиваете объем легких – и огромное множество микроскопических молекул воздуха, пребывающих поблизости вашего рта, проталкивается в ваши дыхательные пути воздухом, находящимся дальше от вас. Вдохните глубже – и ваши легкие расширятся еще больше, создавая пространство для поступления большей порции воздуха, которая вступит в соприкосновение с крошечными структурами в ваших легких. Затем, когда вы расслабите мышцы, окружающие вашу грудную клетку, ваши ребра сожмутся, объем легких сократится и под действием возросшего давления молекулы воздуха, содержащиеся в легких, устремятся наружу и снова окажутся в окружающем воздухе. Кислород – не единственный вид молекул, попадающих в ваши легкие и используемых организмом. Когда воздух проходит мимо рецепторов, расположенных в верхней части носа, какая-то часть из множества молекул, соударяющихся со стенками, сталкивается с более крупной молекулой, прикрепленной к стенке, и входят в нее, как ключ в замок. Клетка рецептора фиксирует удар молекулы, попадающей в нее. Это начальная стадия обоняния: попадание в нужное место небольшого количества молекул определенного типа. Теперь внутренняя составляющая вашего организма получила какую-то информацию о том, что происходит снаружи.

Человеческое тело – это огромное множество хорошо скоординированных клеток (согласно самым последним подсчетам их количество составляет примерно 37 триллионов), каждая из которых представляет собой крошечную фабрику. Каждая отдельно взятая клетка нуждается в подпитке. Кроме того, ей требуется безопасная и комфортная среда: надлежащая температура, уровень pH и уровень влажности, поскольку человеческому организму постоянно приходится приспосабливаться к изменчивым окружающим условиям. Если вы проводите много времени в теплом помещении, то молекулы, расположенные вблизи вашего кожного покрова, колеблются быстрее, так как получают больше энергии. Если бы эти колебания передавались глубже в ваше тело, они нарушили бы нормальное функционирование клеток организма. Таким образом, когда вы находитесь в теплом помещении, вам необходимо отдавать энергию. На первый взгляд это не должно составлять проблемы: в теплом помещении молекулы воды легко испаряются, забирая с собой энергию, а организм человека содержит очень много воды, которая может испаряться. Однако она не торопится его покидать, потому что ваше тело водонепроницаемо. Человек нуждается в потении.