Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Шурупы – те же наклонные плоскости

Представьте себе остроконечный холм, похожий на рожок мороженого, на котором ложбинка бежит снизу вверх. Сожмите высоту холма до размеров вашего мизинца и вообразите его сделанным из стали – и вы получите шуруп. Он имеет такую же наклонную плоскость, которая вьется спиралью вокруг его оси. И работает он точно так же, как описанные выше мостки.

Представьте себе, что вы хотите установить в своей комнате полки для книг, опирающиеся на кронштейны. Кронштейны можно прикрепить к стене, просто прибив их шурупами, как гвоздями. Это потребовало бы значительных усилий, а стена была бы изуродована. Обычно в таких случаях применяется другой вариант: вы вворачиваете шурупы в стену при помощи отвертки. С каждым ее поворотом вы совершаете достаточно большое круговое движение. А шуруп входит в стену на меньший угол. Точно так же, как вы поступаете, поднимаясь на автомобиле по серпантину или двигая вверх тачку по наклонной плоскости, вы уменьшаете потребляемую мощность и прилагаете меньшую силу. Для вас это легче, но требует большего времени. Ваши рука и запястье при ввинчивании шурупа действуют как колесо, помогая вам увеличивать создаваемую вами силу. Некоторые отвертки имеют боковые рукоятки, которые дополнительно увеличивают используемую силу рычага.

Смогли бы вы сжечь свой дом с помощью электродрели?

Что происходит, когда вы энергично трете один предмет о другой? Возникает сила трения, которая превращается в тепло. Если вы будете использовать электродрель достаточно долго, то возникнет значительная сила трения. Большая часть энергии, которую потребит за это время дрель, превратится в тепло. В результате нагреется стена, в которой вы пробивали отверстия, сверло дрели и ее мотор. Неслучайно доисторические ручные дрели использовались человеком для того, чтобы воспламенять трут и добывать огонь. Многие строители-любители хорошо знают, что сразу по удалении из отверстия в стене сверла дрели касаться нельзя. Сразу возникает вопрос: а возможно поджечь дом, если достаточно долго работать в нем дрелью? Посчитаем и проясним ответ.

Насколько сильно все может нагреться?

Представьте, что вы сверлите массив дерева, который может воспламениться при 200–400 °C[39]. Возьмем максимальное значение и будем исходить из того, что дерево – не очень теплопроводящий материал. Дрель разогревает только небольшой его участок, непосредственно прилегающий к вращающемуся сверлу, порядка 250 г. Удельная теплоемкость дерева составляет 2 кДж на килограмм на 1 градус: для разогрева 1 кг дерева на 1 градус требуется порядка 2000 Дж. Если температура в комнате составляет 20 °C, то, чтобы добавить 1 кг дерева еще 380 °C, мы должны приложить к нему энергию 380 × 2000 × 0,25 = 190 кДж. Поскольку мощность типовой электрической дрели составляет 750 Вт, она преобразует в механическую энергию 750 Дж электроэнергии в секунду. Допустим, вся эта энергия без потерь превращается в тепловую. Тогда нам нужно будет сверлить в течение примерно 250 с (всего около 4 минут), чтобы поджечь деревянную стену.

Стоит ли из-за этого беспокоиться?

Получается, строители-любители сильно рискуют! Но насколько? Мои допущения гипотетические. Когда в последний раз вы сверлили дырку в дереве в течение четырех минут без остановки? Не вся энергия, которая сообщается дереву сверлом, превращается в тепловую. Кроме того, тепло из места сверления немедленно распространяется на соседние участки. Я прикидывал ситуацию буквально на пальцах.

Но нельзя сбрасывать со счетов и следующие соображения. Что если сверло разогреет до критической температуры меньший объем дерева или древесную пыль, скапливающуюся в отверстии? Что если какие-то породы дерева могут воспламеняться и при 200 °C? Тогда сверление до опасной отметки может потребовать и меньше времени? В целом правильно сказать, что возможно добиться воспламенения деревянных деталей при достаточно долгом сверлении. На самом деле основной риск исходит от древесной пыли или стружки, которая образуется в процессе. Пыль, частицы которой разделены молекулами кислорода, может загореться гораздо легче, чем деревянный массив. И создать огонь таким способом удавалось даже доисторическим людям. А нынешние электродрели не в пример мощнее.

Как работают настоящие инструменты

Рычаги, колеса и наклонные плоскости – научная тайна, окружающая почти все известные нам инструменты. Большинство устройств и приспособлений, которыми мы пользуемся при самостоятельном ремонте, как правило, объединяют в себе две-три умные идеи, что приносит отличный результат.

Тачки

Тачка – отличный образец того, как несколько простых машин соединены в одно очень нужное приспособление. Тачка опирается на ось переднего колеса и работает как рычаг. Если вам нужно переместить тяжелый груз, лучше всего положить его в переднюю часть тачки, ближе к колесу. Опирающийся на колесо длинный металлический контейнер и присоединенные к нему ручки работают по принципу рычага, облегчая поднятие тяжестей. Когда вы поднимаете тачку и толкаете ее вперед, вы используете все физические преимущества колеса, опирающегося на переднюю ось. А если вам нужно высыпать содержимое в грузовик, вам здорово помогут пологие мостки, ведущие к кузову.

Оси

Если вам нужно расколоть деревянные чурбаки, необходим мощный тяжелый колун. Его длинная ручка работает как рычаг, продолжая замах ваших рук, которые опираются на ваши плечи. Те, в свою очередь, используют рычаг верхней части тела, опирающейся на поясницу. А если вы сделаете более энергичный замах, то можете включить в движение и ноги, которые прочно опираются о поверхность земли. Таким образом, в этой работе вы задействуете сразу три рычага. Их задача в том, чтобы придать максимальное ускорение лезвию топора. Само заостренное лезвие и клиновидная форма топора работают по принципу наклонной плоскости. Когда лезвие вонзается в дерево, последнее раздвигается по диагонали под действием большой силы, возникающей благодаря клиновидной форме колуна. Это похоже на перемещение тачки вверх по наклонной плоскости.

Молотки

Принцип работы молотка не отличается от принципа работы топора. Чем длиннее у молотка ручка, тем больше плечо рычага, когда вы размахиваетесь, и с тем большей силой происходит удар. Но с помощью молотка вы делаете другую операцию: пытаетесь загнать гвоздь как можно глубже в стену или доску. Молоток помогает вам достичь этой цели двояко. Поскольку его головка по площади значительно больше шляпки гвоздя, сила удара сосредоточивается на маленькой поверхности. Это сообщает гвоздю высокую силу проникновения, и он легко входит в стену.

Вдобавок молоток значительно тяжелее гвоздя. Представьте себе, что молоток и гвоздь – это бутса футболиста и мяч, которые соприкасаются во время удара. Чем быстрее движется бутса (надетая на стопу мускулистой ноги, увеличивающей плечо рычага, который ускоряет движение ноги спортсмена), тем большей кинетической энергией она обладает. Из закона сохранения энергии мы знаем, что суммарная энергия ноги и бутсы до удара по мячу должна быть равна суммарной энергии ноги, бутсы и мяча после удара. Если нога футболиста в этот момент останавливается, то вся энергия переходит на мяч[40]. Поскольку он меньше и легче ноги спортсмена и бутсы вместе взятых, он летит по своей траектории с большой скоростью. То же происходит с молотком и гвоздем: обычный гвоздь весит в 100 раз меньше, чем обычный молоток. Большая разница в их массе позволяет загнать гвоздь глубоко в стену.