Закон сохранения энергии в электричестве (стр. 3 )

Размер любых сооружений на Зем­ле также ограничен прочностью применяемых материалов. Вес конструк­ции не должен превышать некоторой предельной величины, иначе она бу­дет раздавлена собственным весом.

А вот в космосе нагрузка, которую испытывают конструкционные мате­риалы, будет определяться уже не дей­ствием гравитационного поля Земли, а действием сил тяготения между частя­ми конструкции. Если части эти очень велики и массивны, то при расчетах нужно учитывать силы тяготения между ними.

Итак, мы пришли к выводу, что существование великанов невозможно и причиной этого является тяготение. Но у лилипутов с точки зрения проч­ности скелета все обстоит благополуч­но; более того, у них даже имеется двенадцатикратный запас прочности. Выходит, чем меньше живое существо, тем оно прочнее. Почему же не су­ществует теплокровных животных меньших, чем землеройка?

Именно потому, что они теплокров­ные. Теплокровное животное, в том числе человека, нельзя рассматривать как чисто механическую систему. При довольно значительных колебаниях температуры внешней среды тепло­кровные практически сохраняют по­стоянную температуру тела (за исклю­чением состояния анабиоза, в которое в зимнее время впадают некоторые животные, например медведи). По­стоянство температуры тела является важнейшим условием существования высокоорганизованной жизни. Мы все время излучаем тепло, теряем его при выдыхании нагретого в легких возду­ха, за счет испарения влаги с по­верхности тела, расходуем на совер­шение работы. Потерянную энергию мы восполняем пищей.

Эксперимен­тально установлено, что по отноше­нию к живым организмам полностью справедливо первое начало термоди­намики, иначе говоря — закон сохра­нения энергии. В теле животного при окислении пищевых продуктов осво­бождается такое же количество энер­гии, как и при простом сжигании этих продуктов до тех же конечных веществ вне организма. Только около трети химической энергии переварен­ной нами пищи превращается в мы­шечную энергию, большая же часть тратится на другие нужды — под­держание постоянной температуры тела, питание и возобновление тканей, образование жировых отложений («сберегательного банка» организма на случай голодовки или болезни). Любое превращение энергии в орга­низме — будь то пищеварение или мышечная деятельность — заверша­ется преобразованием в тепло. Это тепло непрерывно уходит в более холодную окружающую среду. Уста­навливается тепловой баланс между организмом и окружающей средой. Размеры животного имеют самое непосредственное отношение к этому тепловому балансу. Образование теп­ла более или менее равномерно про­исходит в объеме тела, т. е. пропор­ционально кубу линейного размера. А теплоотдача происходит в основном через поверхность тела, и потому она пропорциональна квадрату линей­ного размера. Вы догадываетесь, к чему это может привести? Если одно животное крупнее другого в 10 раз, то при равной скорости образования теп­ла крупное животное должно «гене­рировать» в 1000 раз больше тепла, чем мелкое, а теплоотдача у крупного больше всего в 100 раз. Крупное жи­вотное может просто «зажариться» в собственной шкуре. Природа, одна­ко, предусмотрительно «позаботи­лась» о том, чтобы этого не случи­лось,— у крупных животных обмен веществ протекает менее интенсивно и скорость образования тепла в теле у них меньше. А поскольку, как мы знаем, тепло в организме млекопи­тающих образуется в результате окис­ления пищи, то мерой образования тепла может служить потребление кислорода. Оказывается, мелкие жи­вотные потребляют в минуту воздух, объем которого близок к объему их те­ла, а чем животное крупнее, тем мень­шую часть их собственного объема составляет объем вдыхаемого ими воз­духа. Поэтому чем меньше животное, тем интенсивнее протекает у него обмен веществ, тем больше частота дыхания и сердцебиения.

Но если у мелкого животного ин­тенсивнее происходит обмен веществ, т. е. увеличивается скорость образо­вания тепла в теле на единицу его массы, то «зажариться» в собственной шкуре должно как раз мелкое жи­вотное. Между тем у всех теплокров­ных животных температура тела при­мерно одинакова. Как же это объяс­нить?

С уменьшением размеров животного возрастает не только интенсивность образования тепла, но и интенсив­ность потерь. Это связано с тем, что с уменьшением размеров тела воз­растает роль его поверхности по сравнению с объемом. Возьмем тот же пример: одно животное крупнее дру­гого в 10 раз. Пусть их харак­терные линейные размеры соответ­ственно 1м и 0,1 м. Тогда отношение площади поверхности тела к его объ­ему для крупного животного равно единице, а для мелкого — десяти. А теплоотдача как раз и определяется площадью поверхности тела. (Кстати, именно поэтому дети мерзнут сильнее взрослых). Потерянное тепло, как мы знаем, восполняется в процессе хими­ческих реакций в организме. Поэтому для поддержания температуры тела, обеспечивающей нормальную жизне­деятельность, меньшие животные нуждаются в большем количестве пи­щи на единицу массы тела. Мелкие животные все время испытывают чув­ство голода и жажды. Это делает их беспокойными и подвижными, много времени они проводят в поисках пищи. Такое поведение как раз и ха­рактерно для мелких теплокровных, например грызунов. Потому-то на су­ше и не существует теплокровных меньших, чем землеройка, питающая­ся насекомыми — меньшие тепло­кровные просто не успевали бы запа­сать и переваривать пищу.

Выходит, великана легче прокор­мить, чем лилипута? Легче, но толь­ко в мире великанов. Займемся опять расчетами. Скажем, обычный человек съедает в день трехсотграм­мовую булку. Это составляет пример­но 1/200 часть его собственной массы. Так как потери энергии пропорцио­нальны квадрату линейного размера, то потребность в пище в мире велика­нов в 144 раза больше нашей. А объем и вес всего съедобного возросли в 1700 раз. Значит, для утоления голода великану понадобится только 1/12 часть великаньей булки. Нетрудно подсчитать, что это будет всего около40 кг и при массе великана в 100 тонн составит лишь очень малую часть его собственной массы. Теперь посмотрим, как обстоит дело с питанием в мире лилипутов. Их потребность в пище в 144 раза меньше нашей, но объем и вес всего съедобного уменьшились в 1700 раз. Значит, чтобы насы­титься, лилипуту нужно съесть 12 ли­липутских булок, 12 порций супа и т. д.

Теперь обсудим еще один вопрос. Почему самые мелкие водные млеко­питающие все же крупнее самых мел­ких теплокровных обитателей суши?

Дело в том, что водные млеко­питающие, даже имеющие изолирую­щий жировой слой, отдают очень много тепла воде, и их существование становится возможным только при до­статочно большом объеме тела.

Главным механизмом, регулирую­щим температуру тела, является его «центральное отопление» — система кровообращения. Кровь доставляет тепло от внутренних органов к капил­лярам под кожей, а она уже отдает избыток тепла окружающему возду­ху. Например, для человека в покое при температуре °С и темпера­туре среды 18 °С потери тепла рас­пределяются таким образом: прибли­зительно 75 % теряется за счет излу­чения в инфракрасном диапазоне с длиной волны 9—10 мкм, осталь­ное — за счет потовыделения и выдо­ха нагретого в легких воздуха. С повышением температуры среды по­тери тепла излучением уменьшаются: при 30 °С они составляют около 30 %. Перегрев организма при этом устра­няется обильным потоотделением — на испарение каждого грамма влаги с поверхности кожи требуется около 2500 джоулей. Интересно отметить, что удельная мощность человека (т. е. мощность, приходящаяся на единицу его массы) составляет около 200 Вт/кг, что почти враз больше удель­ной мощности Солнца.

Система терморегуляции очень гиб­ка и в условиях тропиков обеспечивает человеку возможность обходиться без одежды. Вообще организм человека и многих других животных лучше приспособлен к охлаждению, чем к перегреву. Снижение температуры те­ла на 10—12° еще не смертельно, тогда как при повышении температу­ры на 5—6° начинают сворачиваться белки. (Вот почему на медицинском термометре нет делений выше 42 °С.) Для человека смерть наступает при температуре тела выше 43 °С или ни­же 25 °С. За миллионы лет эволюции человек «обзавелся» системой термо­регуляторов, которые помогают ему поддерживать температуру на по­стоянном уровне.

Теперь вы понимаете, почему чело­век такой, какой он есть, а не великан и не лилипут?

Цвет крови и закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии в наиболее четкой форме был впервые сформулирован в 1842 году немецким врачом и естествоиспытателем Юлиусом Робертом Майером. Очень необычны обстоятельства, при которых был открыт физический закон.

В 1840 году в качестве судового врача Майер отправился в далекое плавание на остров Ява на голландском корабле. В то время наиболее распространенным методом лечения было кровопускание и врачу довольно часто приходилось видеть венозную кровь больного. И вот по мере приближения к экваториальным широтам Майер замечает, что цвет венозной крови у матросов становится более красным, чем он был в Европе. Это говорило о том, что в венозной крови человека в южных широтах остается кислорода больше, чем в северных. Очевидно, что концентрация кислорода в артериальной крови одна и та же для разных широт и зависит только от его концентрации в атмосфере. Поэтому Майер пришел к выводу, что человек в условиях холодного климата потребляет больше кислорода. Значит, для поддержания той же температуры тела при холодной погоде требуется большее окисление пищевых продуктов.

Однако Майер понимал, что энергия, выделяющаяся при окислении пищевых продуктов, расходуется не только на поддержание постоянной температуры тела у человека, но и при совершении им механической работы. А это означало, что должны существовать определенные соотношения между количеством теплоты, образующимся в организме, и механической работой, которую человек совершает в течение данного интервала времени. И Майер заключил, что определенному количеству теплоты должно соответствовать определенное значение совершенной механической работы.

Идея об эквивалентности теплоты и работы сразу увлекла Майера. Вот как он говорит об этом в письме к своему другу, психиатру В. Гризингеру: "...Эту теорию никоим образом нельзя рассматривать как полученную в результате систематического исследования. После того, как я рьяно и настойчиво взялся за изучение физиологии крови во время путешествия в восточную Индию, наблюдения за изменением физического состояния нашего экипажа в тропиках и процессом акклиматизации дали мне много дополнительной пищи для размышлений... Сейчас нельзя обойтись без этого знания физики, если ты хочешь достигнуть ясности относительно физиологических вопросов… Поэтому я посвятил себя здесь физике и проявил такой живой интерес к проблеме, что этот удаленный уголок Земли стал меня мало интересовать. Некоторые могут смеяться надо мной по этому поводу, но я предпочитал все время оставаться на борту корабля, где я мог работать без перерыва, и где несколько раз меня посещало вдохновение...Эти времена прошли, но последующие мысленные проверки этой идеи... говорили мне, что это - истина, которая не только субъективно ощутима, но может быть также объективно доказана."

В последующем жизнь Майера сложилась несчастливо. Было много споров о приоритете Майера в открытии закона сохранения энергии. Это и домашние неурядицы повлияли на рассудок ученого. В 1851 году он был помещен в сумасшедший дом, и хотя спустя некоторое время его оттуда выпустили, рассудок Майера, как отмечают современники, оставался ненормальным до самой смерти.

Шум

Как правило, шум нас раздражает: меша­ет работать, отдыхать, думать. Недаром каждый вечер с экранов телевизоров звучит призыв приглушить громкость источников звука, соблюдать тишину. Но шум может действовать и успокаивающе. Такое влия­ние на человека оказывает, например, ше­лест листьев деревьев, мерный стук дожде­вых капель, рокот морского прибоя.

Нередко шум несет важную информацию. Летчик по гулу двигателей определяет, как они работают. Авто - или мотогонщик вни­мательно прислушивается к звукам, кото­рые издают мотор, шасси, другие части дви­жущегося аппарата, ведь любой посторон­ний шум может быть предвестником ава­рии. По шуму, создаваемому на ходу ко­раблями и подводными лодками, их обна­руживают и пеленгуют. Шум играет существенную роль в акустике, оптике, радиотехнике, радиоастрономии, теории информа­ции, вычислительной технике, медицине...

Что же такое шум? Под ним понимают беспорядочные сложные колебания различ­ной физической природы: акустические, теп­ловые, электрические и т. п. В этой статье речь пойдет лишь об акустическом шуме.

Проблема шума возникла очень давно. Уже в древние времена стук колес по бу­лыжной мостовой вызывал у многих бессон­ницу. Именно поэтому дорогу перед домом посыпали песком или устилали соломой. А может быть, проблема эта возникла еще раньше - когда соседи по пещере начинали ссориться из-за того, что один из них слиш­ком сильно стучал, изготавливая каменный нож или топор?

Шумовое загрязнение окружающей сре­ды все время растет. Если в 1948 году при обследовании жителей крупных зарубеж­ных городов на вопрос, беспокоит ли шум, когда вы находитесь в квартире, ут­вердительно ответили 23% опрошенных, то в 1961-м—уже 50%. В последнее десятиле­тие уровень шума в больших городах вырос в 10—15 раз.

Шум — один из видов звука, правда, его часто называют «нежелательным звуком».

Напомним, что звук—это колебательное движение частиц любой упругой среды (воздуха, жидкости, твердого тела), рас­пространяющееся в виде волн. Человек слышит звук, когда частота колебаний ле­жит в пределах 16Гц (1 Гц— герц—одно колебание в секунду). Звук с частотой ниже 16 Гц называют инфразву­ком, вышеГц - ультразвуком (до 109 Гц), в диапазоне 109—1013 Гц— гиперзвуком. При распространении звуковой волны, состоящей из сгущений и разрежений воз­духа, давление на барабанную перепонку меняется. Это давление можно измерять в ньютонах на квадратный метр (Н/м2), а интенсивность (мощность) звука в любой точке — поток энергии, приходящийся на единичную площадку,— выразить, напри­мер, в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).

Минимальный звук, который человек ощущает, называют порогом слышимости. У разных людей он различен, и поэтому условно за порог слышимости принято зву­ковое давление, равное 2·10-5H/м2 при 1000 Гц, или соответствующая ему интен­сивность звука (Ро) 10-12 Вт/м2.

Именно с этими величинами сравнивают измеряемый звук. Например, если недалеко от нас разбегается для взлета реактивный самолет, то интенсивность звука (Р) от его моторов равна 10 Вт/м2, то есть превышает пороговую в 1триллионов) раз. Опе­рировать с такими большими числами неудобно, поэтому принято уровень гром­кости звука выражать в белах—логарифме отношения измеренной интенсивности Р к эталонной Ро, то есть число белов N равно lg(P/Po). Так, уровень шума реактивного са­молета N=. Полу­чила распространение более мелкая единица измерения: одна десятая часть бела — деци­бел (1дБ= 0,1Б). Следовательно, шум, производимый реактивным самолетом, ра­вен 130 децибелам. Единица измерения «бел» названа по имени изобретателя теле­фона А. Белла (1847—1922).

Наглядное представление о том, как свя­заны между собой интенсивность звука, зву­ковое давление и уровень громкости, дает таблица.

Надо помнить, что бел - это логарифм отношения двух одноименных физических величин, и тогда не будут возникать ошиб­ки при сравнении различных звуков по их уровню. Например, если тихий шелест ли­стьев оценивается в 1 Б, а громкий раз­говор в 6,5 Б, то отсюда не следует, что речь превышает по громкости шелест ли­стьев в 6,5 раза. В соответствии с опреде­лением бела получаем, что речь «шумнее» шелеста листьев в 316000 раз (106,5/10 = 105,5 = 316000).

В середине прошлого века немецкий фи­зик и психолог установил закон восприятия, который гласит: величина ощущения пропорциональна логарифму ве­личины раздражения. Так что громкость звука оценивается логарифмической зависи­мостью не случайно.

Восприятие звука зависит не только от его количественных характеристик (звуко­вого давления или интенсивности), но и от его «качества» — частоты. Один и тот же по силе звук на разных частотах отличает­ся по громкости. Некоторые люди не слы­шат звуков высоких частот. Так, у пожи­лых верхняя граница восприятия звука по­нижается до 6.000 Гц. Они не слышат, на­пример, писка комара и трелей сверчка, ко­торые издают звуки с частотой околоГц. Известный английский физик Д. Тиндаль так описывает одну из своих прогулок с товарищем: «Луга по обеим сторонам дороги кишели насекомыми, ко­торые для моего слуха наполняли воздух своим резким жужжанием, но мой друг ни­чего этого не слышал — музыка насекомых лежала вне границ его слуха».

Сила звука измеряется на некотором удалении от источника или вблизи источника, так как громкость звука убывает обратно пропор­ционально квадрату расстояния от источ­ника.

Если значение громкости превышает 80 дБ, то такой шум уже может вредно влиять на здоровье: повышать кровяное давление, вызывать нарушение ритма серд­ца, а продолжительное воздействие интен­сивного шума ведет к глухоте. Очень силь­ный звук (свыше 180 дБ) в состоянии да­же вызвать разрыв барабанной перепонки.

Уменьшение уровня шума улучшает са­мочувствие рабочих и повышает производи­тельность труда.

С шумом необходимо бороться не только на производстве, но и в быту. Умение соб­людать тишину—показатель культуры че­ловека и его доброго отношения к окружа­ющим. Тишина нужна людям так же, как солнце и свежий воздух.

Интенсивность, Вт/м2	Звуковое давление, Па	Уровень звука, дБ
108	200000	200
104	2000	160
1	20	120
10-4	0.2	80
10-8	0.002	40
10-12	0,00002	0

Частотный интервал звуковых колебаний

	Инфразвук	Слышимый звук	Ультразвук	Гиперзвук
Частота колебаний, Гц	0,001-20	20 –	20	1

Допустимый уровень шума, от 0 до 80 дБ (децибелы)	Предельно допустимый уровень шума, от 80 до 110 дБ	Недопустимый уровень шума, от 110 до 180 дБ
Зимний лес в безветренную погоду (эталон тишины)	0	Отбойная техника (молоток, бур) во время работы	90	Гром в чистой местности во время грозы (в отсутствии резонирующих объектов)	130
Шепот обычного человека (не сценический) на расстоянии 1 м	20	Тяжелый грузовик во время движения со скоростью до 60 км/ч	100	Взлет реактивного самолета (в 25 м от места старта)	140
Ночь в сельской местности (в отсутствие работающей техники)	30	Поп- или рок-группа (вблизи сцены в отсутствие усилителей)	110	Старт космической ракеты (из укрытия на расстоянии не менее 100 м от места старта)	150
Гул в лекционной аудитории во время лекции (100-120 человек)	40			Выстрел из винтовки	160
Работа 15 компьютеров в компьютерном зале	60			Выстрел из орудия	170
Шум работающего двигателя в салоне движущегося автомобиля	70

Прочнее гранита

Скелет наш состоит приблизительно из 200 костей, большинство из которых (кроме костей черепа и таза) соединено между собой определенным образом, позволяющим при движении менять относительное расположение Кости приводятся в движение скелетными мышцами, каждая из которых прикрепляется к двум различным костям. При возбуждении мышцы длина ее уменьшается, и угол между соответствующими костями скелета изменяется.

Одна из простейших задач биомеханики – определение усилия, развиваемого мышцей. По правилу рычага P×b = F×a откуда получаем значение усилия в мышце F = P×b/a (рис.1).

Впервые подобная задача была поставлена и решена гением эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Будучи одновременно художником, инженером и ученым, он всегда интересовался строением человеческого тела и механизмами, лежащими в основе движений человека. На многие вопросы, касающиеся механики человеческого тела, ответы уже получены, но еще большее количество вопросов пока еще остаются без исчерпывающего ответа.

Не перестает удивлять и восхищать устройство скелета, каждой его косточки. Форма, размеры, внутренняя структура определяются той функций, которую данная кость должна выполнять в скелете. Как и любые элементы строительных конструкций, кости скелета работают в основном на сжатие и растяжение или на изгиб. Эти два режима работы предъявляют к костям как элементам скелета далеко не одинаковые требования. Каждому ясно, что спичку или соломинку довольно трудно разорвать, растягивая их вдоль оси, и очень легко сломать, изогнув. Кроме того, во многих случаях – как в инженерных конструкциях, так и в скелетах животных, желательно сочетание прочности с легкостью. Эти и еще множество задач на прочность, минимальную массу, максимальные усилия, оптимальную форму костей и так далее решены Природой так, что тайны решения не могут раскрыть ученые различных областей науки и техники всего мира в течение многих столетий.

Прежде всего, это сочетание прочности костей и их пустотелости – минимизация массы конструкции при сохранении заданной прочности. Дело в том, что при дормации балки, лежащей на двух опорах (рис. 2), верхние слои сжимаются, а нижние растягиваются, при этом в середине существует поверхность, не изменяющая своей длины. Материал в этом слое не работает, поэтому его можно удалить без большого ущерба для прочности балки. Кости скелета имеют, как правило, круглую форму. Поэтому у них частично отсутствует сердцевина.

Очень отчетливо это проявилось у птиц, больше других животных заинтересованных в уменьшении массы тела. В 1679 году на это обратил внимание итальянский физик Дж. Борелли, отметив, что «…тело птицы непропорционально легче, чем у человека или любого четвероногого…, так как кости у птиц пористые, полые с истонченной до предела стенкой». Например, у птицы фрегата, имеющей размах крыльев около 2 м, скелет имеет массу всего только 110 г. Однако и у бескрылых животных кости внутри тоже полые. Измерения показывают, например, что для самой крупной трубчатой кости скелета – бедренной – отношение внутреннего диаметра поперечного сечения к внешнему у лисицы, человека, льва и жирафа примерно равно 0,5 – 0,6, что дает возможность всем животным (и нам, конечно) уменьшить массу скелета примерно на 25 % при сохранении той же прочности.