Ответ. У жерла каждой пушки есть диаметр и длина. Диаметр в данном случае важен лишь с той точки зрения, что чем больше диаметр снаряда, тем больше сопротивление воздуха. Можно, однако, сделать узкий снаряд, и запускать его в оболочке по размеру широкого ствола, чтобы он легко двигался нём. По данным NASA, пушка со стволом длиной в 1 милю (1,6 км) могла бы «запустить» спутник, если он выдержит ускорение 4000g. Действительно, предположим, что снаряд движется в стволе с постоянным ускорением a (м/c²). Его скорость υ = at (м/c), а путь s = (at²)/2 (м). Отсюда υ² = 2as. При длине ствола около1600 м скорость снаряда на вылете должна быть 11 300 м/с, т.е. υ² ≈ 128 000 000 (м/с)² ⇒ a ≈ 40 000 м/c²g. ≈ 4000

? Я слышал, что в сырую погоду, в частности, в тропиках, где высокая влажность, ветер сильнее действует на парус, потому что масса влажного воздуха больше, чем сухого того же объёма. Следовательно, и сила, действующая на парус, больше при равных скоростях ветра. Можно ли это подтвердить математическим расчётом?

Ответ олимпийского чемпиона в классе «Лазер» Пауля Гудисона. Сейчас яхтсмены предпочитают тканым парусам ламинатные, т.к. последние практически не пропускают воздух. Это, конечно, не прямой ответ на вопрос, но всё же отчасти проясняет ситуацию. Как правило, холодные ветра дуют ровнее, чем тёплые и влажные, к тому же в них меньше вихрей. Это очень заметно при плавании во внутренних водах. Каждый яхтсмен знает, что для достижения хорошего хода надо настраивать такелаж (паруса и рангоут) под конкретный ветер, а настроиться легче, если ветер ровный. Чемпионы как раз и отличаются от просто хороших гонщиков тем, что умеют подстраивать такелаж даже при непрерывно меняющемся ветре. В гонках на короткие дистанции плотность воздуха – слабый фактор, т.к. она остаётся постоянной. Гораздо большее влияние на ход оказывают изменение силы, скорости и направления ветра. В итоге я бы сделал такой вывод: при холодных ветрах ход лучше, чем при тёплых. Во-первых, вопреки интуитивным предположениям холодный воздух более плотный, во-вторых, он позволяет легче настраивать паруса, поскольку дует ровно, без порывов. К этим выводам я пришёл в результате многих лет занятий парусным спортом.

Ответ 2. Яхта движется за счёт энергии ветра, потому что воздушный поток с одной стороны паруса отклоняется и замедляется, тем самым создаётся разность давлений и возникает движущая сила (в случае летательных аппаратов она называется подъёмной). Если воздух более плотный, то и движущая сила больше. Однако вряд ли влажность играет большую роль. Более значительно влияние атмосферного давления. Например, в Карибском море в сезон ураганов оно может падать до 607 мм рт.ст. при 30 °С (плотность воздуха 0,92 кг/м³), а зимой в Норвегии повышаться до 815 мм рт.ст. (плотность 1,31 кг/м³), так что энергия карибского ветра составляет лишь 2/3 от норвежского.

Ответ 3. Парус является движителем, поскольку имеет форму крыла. Движущая сила равна произведению динамического давления q на аэродинамический коэффициент и на поверхность паруса, а q = ρυ², где ρ – плотность воздуха, υ – скорость потока. Плотность газа пропорциональна его молекулярному весу. Воздух состоит из N₂ (80%, мол. вес М = 28), O₂ (примерно 20%, М = 32), в среднем М = 29. Во влажном воздухе содержатся пары воды, её М =18, т.е. влажный воздух менее плотный, чем сухой. Поэтому и ход яхты при прочих равных условиях при сырой погоде будет хуже.

Ответ 4. Метеорологи используют понятие виртуальной температуры T_υ. Это температура (в кельвинах), которую должен иметь сухой воздух при данном барометрическом давлении р, если его плотность равна плотности влажного воздуха при том же давлении: T_υ = T (1 + r/e)/(1 + r), где r – масса водяных паров (в г) в 1 г сухого воздуха, е = 18/28,966. Всегда T_υ > T.

Ответ 5. Так-то оно так, но мяч при игре в гольф в сырую погоду летит хуже, чем в ясную.

Ответ 6. В случае с гольфом скорее всего дело в том, что при уменьшении плотности среды, в которой летит мяч, лобовое сопротивление действительно уменьшается, но уменьшается и подъёмная сила, возникающая при кручёном ударе. Поэтому и высота подъёма мяча, и дальность его полёта меньше.

Ответ 7. Армейские парашютисты точно знают, что в сырую погоду спуск значительно медленнее, чем в сухую.

Ответ 8. Может быть, когда влага оседает на парусах, они меньше пропускают воздух? Как-то я был в Шри-Ланке, и местные рыбаки взяли меня в море. Я заметил, что они для лучшего хода старались намочить паруса, брызгая на них водой. Паруса у них, правда, были тканые, а сейчас на спортивных яхтах ставят ламинатные, без пор.

? Почему мы не можем направить наши телескопы, с помощью которых рассматриваем галактики, удалённые от нас на много световых лет, на Луну и рассмотреть там следы астронавтов? Ведь многие сомневаются в том, что люди были на Луне, а это было бы явным доказательством, тем более что скоро 40-я годовщина посещения.

Ответ 1. С помощью телескопа Хаббл на Луне можно рассмотреть детали размером не меньше 70 м. Чтобы увидеть следы, необходим телескоп с апертурой 250 м.

Ответ 2. Самым прямым доказательством того факта, что люди побывали на Луне, является наличие на нашем спутнике лазерного уголкового отражателя, который уже 40 лет служит для точного измерения расстояния Земля–Луна.

? Правда ли, что молнии инициируются космическими лучами?

Ответ. Действительно, такая гипотеза была выдвинута в 1992 г. советским физиком А.В.Гуревичем (ФИАН, г. Москва), поскольку длительное изучение грозовых облаков показало, что электрических полей достаточной напряжённости для возникновения разряда там нет. Молнию могут вызывать ливни высокоэнергетичных космических частиц, порождаемых при врывах сверхновых звёзд. При их прохождении через атмосферу должны образовываться заряженные частицы, образующие канал разряда. Однако, чтобы таких частиц оказалось достаточное количество, авторы постулировали ещё один процесс – пробой на убегающих электронах. Когда космическая частица налетает на молекулу воздуха, высвобождаются высокоэнергичные электроны. Сталкиваясь с другими молекулами воздуха, они порождают ещё больше убегающих электронов, а также рентгеновское и гамма-излучения. В результате на грозовую тучу обрушивается лавина высокоэнергичных частиц, которая и порождает разряд молнии.

Однако мы знаем, что пробой порождает только низковольтные электрические поля. Действительно, во время грозы наблюдали сильные вспышки рентгеновского и гамма-излучений как раз перед появлением молнии. Однако, во-первых, эти вспышки можно объяснить и другими механизмами, а во-вторых, молния может распространяться только по проводящему каналу. Этот канал очень узкий – всего несколько сантиметров в диаметре – и очень горячий. Он похож на раскалённую проволоку с громадным током. Совершенно неясно, как огромный диффузный разряд, порождаемый космическими лучами, может превратиться в такой канал. Так что вопрос о происхождении молнии остаётся пока открытым.

? Как три крошечные косточки в среднем ухе усиливают звук?

Ответ. Молоточек, наковальня и стремечко – три косточки – работают как рычаг. Соотношение плеч этого рычага совокупно с концентрацией энергии колебаний, поступающих из наружного уха довольно большой площади на малую площадь стремечка обеспечивает эффективное усиление громкости звука. Косточки среднего уха находятся между барабанной перепонкой и улиткой (спиральный канал, усеянный клетками-волосками, передающими звук во внутреннем ухе). Внутреннее ухо заполнено жидкостью, так что наша слуховая система должна передавать воздушные звуковые колебания в жидкость. Без этих косточек только 0,1% энергии звуковых колебаний попадало бы во внутреннее ухо, а остальная часть отражалась бы от поверхости, как это происходит, когда вы пытаетесь что-то прокричать с берега своему другу, сидящему под водой. Когда звуковые колебания достигают барабанной перепонки, косточки среднего уха приходят в движение. Один конец молоточка жёстко прикреплён к барабанной перепонке, а другой сцеплен подвижно с наковальней. Другой конец наковальни жёстко соединён со стремечком. Основание стремечка – плоская часть, отслеживающая мгновенные положения стремечка, – свободно входит в отверстие в стенке улитки (так называемое овальное окно) и перемещается в нём взад-вперёд, как поршень. Такое движение обеспечивает усиленные колебания в жидкости внутреннего уха и, далее, генерацию сигнала, передаваемого в мозг.

? Почему с возрастом так легко располнеть и так трудно похудеть?

Ответ. Если мы примем гипотезу, что менопауза у женщин является достижением эволюции, поскольку у бабушек в доисторические времена тогда появлялось время для того, чтобы следить за внуками, то становится очевидно, что старики должны были иметь жировой запас на случай трудностей с питанием. Ведь в первобытных сообществах старикам доставались лишь остатки пищи после того, как все остальные наедались. С этой точки зрения понятно, почему механизм метаболизма становится всё более эффективным по мере старения организма и почему так трудно что-то противопоставить ему. По тем же соображениям понятно, почему старики страдают бессонницей. Они могли подремать днём, когда другие занимались делами или охотились, но ночью им надо было сидеть у костра, поддерживая огонь, и подавать сигнал тревоги в случае опасности, например, при нападении хищников.

? Какова информационная ёмкость человеческого мозга в гигабайтах? Можно ли сделать такой же компьютер?

Ответ. На этот вопрос можно ответить, лишь заранее приняв, что наш мозг устроен, как компьютер. Если каждый нейрон содержит 1 бит информации, то общая ёмкость мозга около 4 терабайт (4000 гигабайт). Однако нейрон может содержать больше 1 бит, если предположить, что информация содержится в синапсах – нервных волокнах, которыми нейроны связываются друг с другом. На каждый нейрон приходится около 50 000 синапсов, так что информационная ёмкость мозга тогда возрастает до 500 терабайт. Однако и это может оказаться неверным, т.к. мозг устроен вовсе не как теперешний компьютер. Во-первых, он обрабатывает информацию параллельно, а не последовательно. Во-вторых, в мозге происходит сжатие информации по различным механизмам. В-третьих, там могут образовываться новые синапсы и даже новые нейроны. Мозг имеет много ограничений, но информационная ёмкость не ограничивается. Проблема состоит в том, как ввести информацию, и, что ещё более актуально, – как её извлечь.

Огромную ёмкость нашего мозга можно показать на примере классического приёма method of loci, используемого для запоминания порядка карт в колоде. Он заключается в том, что человек воображает себе маршрут путешествия и каждой карте ставит в соответствие какую-то станцию. Например, я нашёл в интернете такой способ: пусть первая карта – восьмёрка треф. Вы воображаете, что вы выходите из двери на лестницу, и... первая станция вашего путешествия – путь вам преграждает некто, разбивающий вдребезги песочные часы (они имеют форму восьмёрки) молотком (он близок по форме к трефам). Далее вы придумываете столь же красочную картину, ассоциирующуюся со второй картой, и т.д. Поразительно, что объём информации, которую вы запомните, будет намного больше объёма информации просто о порядке карт. Но это необходимо, чтобы легко извлечь эту информацию.

? Могут ли вирусы и бактерии передаваться через монеты и банкноты, ведь деньги проходят через множество рук? Сколько заразы в среднем может скапливаться на каждой монете?

Ответ. Перенос микроорганизмов на монетах и банкнотах вполне возможен. Сколько их будет в каждом случае, зависит от конкретных условий, в частности, от типа микроорганизма и от уровня влажности: большинство погибают в сухой среде. Далее, одно дело просто брать деньги в руки (тогда вся зараза остаётся только на руках), а другое – втягивать с них наркотики, что нередко бывает, – тогда через носовые полости могут заразиться и внутренние органы. Количество микроорганизмов на одной монете или банкноте может варьировать от 10 до 100 000. Важно также, в какое место вашего организма они попадут, комфортно ли им там будет и смогут ли они быстро размножиться. Недавние исследования в Нидерландах показали, что на монете в среднем содержится до 1000 бактерий, а на банкноте – несколько миллионов. Относительно присутствия вирусов надёжных данных пока не получено. Большое значение имеет материал, из которого изготовлены монеты. Медь, серебро и свинец подавляют развитие микроорганизмов, а латунь, бронза и оловянный припой действуют на них даже сильнее, чем антибиотики, к которым быстро привыкают бациллы, вызывающие нагноение и сыпь. Возможно заражение и через книги в публичных библиотеках. Выходом из положения может оказаться пользование электронными книгами и безналичным расчётом.

? Однажды я был на автогонках в Монако. Погода была довольно сырой. И вдруг комментатор объявил, что через 6 минут начнётся дождь. Откуда такая точность? Если прогноз погоды можно знать так точно, почему публике сообщают с большими ошибками? Кстати, дождя в тот раз так и не было.

Ответ. Погоду сейчас можно предсказывать очень точно, поскольку есть погодные радары. Однако это дорогое удовольствие, если речь идёт о конкретной достаточно небольшой области, как, например, гоночная трасса. Во-первых, нужен отдельный радар, который отслеживал бы обстановку именно в этой области. Во-вторых, необходим хороший специалист-метеоролог, который интерпретировал бы данные радара, составлял бы метеосводки и рассчитывал, когда и в каком месте трассы может начаться дождь. Когда проводятся крупные соревнования, то всё это обеспечивает проводящая их спортивная ассоциация. Каждая команда может подписаться на метеоуслуги и получать сводки почти в реальном времени прямо на трассах. В сводку входят карта погоды, температура и давление. Получив предупреждение о возможном дожде даже за 6 минут, команда может быстренько поменять шины на автомобилях своих гонщиков. Сейчас в США, европейских странах, Австралии действуют погодные радары общего назначения, дающие метеообстановку в радиусе полутора тысяч километров, что позволяет оценить, когда начнётся дождь конкретно в вашем городе.

? Я живу в километре к северу от оживлённого шоссе. Когда ветер дует с юга, шум значительно усиливается. Почему так получается, ведь скорость ветра (30 км/ч) значительно меньше скорости звука (1235 км/ч)?

Ответ 1. Ветер – единственный наиболее существенный метеорологический фактор, влияющий на уровень шума в полосе шириной примерно 150 м вдоль такого источника, как шоссе. Звук вблизи поверхности земли распространяется гораздо медленнее – из-за трения, этот эффект известен как wind shear. Возникает градиент скорости звука, и звуковая волна «загибается» – книзу, если направление её распространения совпадает с направлением ветра, и кверху, если эти направления противоположны. На расстояниях больше 150 м более важную роль начинает играть вертикальный градиент температуры. Дело в том, что при определённых стабильных атмосферных условиях происходит так называемая температурная инверсия, когда температура возрастает с высотой, начиная либо непосредственно от поверхности, либо с некоторого уровня. Это случается, когда слой тёплого воздуха оказывается запертым между слоями холодного. При этом скорость звука также возрастает с высотой, и звуковая волна вследствие рефракции отклоняется вниз. В результате шум, доносимый до удалённого приёмника, усиливается.

Ответ 2. Поскольку скорость ветра намного меньше скорости звука при обычных условиях он не должен влиять на уровень шума. Единственной причиной может быть рефракция звуковой волны – её отклонение вниз от прямолинейного направления распространения, аналогично тому, как это происходит со световой волной, когда она переходит, например, из воды в воздух. Скорость ветра изменяется с высотой. Например, на высоте 100 м она составляет 30 км/ч, а непосредственно у поверхности равна нулю. Соответственно звуковая волна, распространяющаяся первоначально параллельно поверхности земли, будет отклоняться книзу, если её направление совпадает с направлением ветра, и кверху в ином случае. Можно предложить такую модель. Представим шеренгу легкоатлетов, перпендикулярную линии берега, бегущих, взявшись за руки, вдоль берега. Если берег везде одинаков, и скорость спортсменов одна и та же, то шеренга будет представлять неизменно прямую линию. Однако если один конец шеренги будет бежать по твёрдому мокрому песку (как это обычно бывает на пляже), а другой конец – по сухому и сыпучему, то шеренга изогнётся.

? Наш глаз, как линза, даёт перевёрнутое изображение на сетчатке, но мозг преобразует его в прямое. Известны ли случаи повреждений мозга, в результате которых человек теряет эту способность и видит только перевёрнутые изображения?

Ответ. Случаев, когда бы человек постоянно видел мир перевёрнутым, неизвестно. Ведь в мозг поступает не само изображение, а пакет электрических импульсов. В 1897 г. Дж.-М.Стрэттон провёл такой эксперимент. Он стал носить специальные очки, которые перевёртывали изображения наблюдаемых предметов. Сначала он действительно видел всё вокруг «вверх ногами». Однако не прошло и недели, как мозг перестроился, и картина стала прямой. Подобные эксперименты проводились потом не раз, результаты получались неоднозначными. Например, в 1940–50-х гг. испытуемые велосипедисты и лыжники уверяли, что и в «переворачивающих изображение» очках они видят мир прямым. Скорее всего, независимо от вида изображения на сетчатке, мозг адаптируется и «научается» видеть окружающее в привычном виде. Интересно было бы провести подобные эксперименты там, где нет гравитации.

? Я заметил, что после грозы вода в нашем небольшом прудике становится кристально чистой, хотя до того она была покрыта зелёными водорослями. Так же очищался и сосуд с питьевой водой.

Ответ. Гроза всегда сопровождается сильным ливнем. В пруду просто стало больше воды, количество же водорослей осталось неизменным. Ещё более вероятно, что водоросли с водой просто стекли из-за переполнения пруда или опустились под воду. Эффект же с питьевой водой скорее всего следует отнести за счёт психологического эффекта: если мы очень хотим увидеть нечто, то мы это и увидим. Есть множество факторов, которые могут отвечать за исчезновение плавающих водорослей: понижение температуры поверхностного слоя воды из-за поступления холодной дождевой воды, изменение поверхностного натяжения водяной плёнки, изменение солевого состава, повышение содержания озона и кислорода в воздухе и т.д. Нужно экспериментировать, чтобы получить внятное объяснение.