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

Попробуем теперь понять, какое давление на землю оказывает обычный жилой дом. Нам, конечно, необходимо знать, сколько он весит, но вычислить это не так-то легко. Пролистывая архивные подшивки журнала «Популярная механика» (Popular Mechanics), я нашел статью за 1956 год, в которой масса среднего жилого дома оценивалась в 122 т[7]. Несколько лет назад колумнист газеты Sеattle Times Дэррел Хэй оценил массу типичного американского жилого дома в 160 т[8]. Сделаем допущение в большую сторону и будем считать, что масса такого дома составляет 200 т, если прибавить и весь тот хлам, который будет находиться внутри. Это солидно. Взрослый слон весит 5–7 т, так что речь примерно о 30–40 слонах, которые расплющивают ваш дом. Если площадь его застройки представляет собой квадрат со стороной в 10 м и, как и раньше, мы предположим, что основную часть нагрузки несут стены, мы вычислим, что дом давит на участок под ним с силой, равной примерно двукратному атмосферному давлению – или вдвое больше веса, который должны выдерживать ваши ноги. Так что, как ни удивительно, ваши хилые коленки испытывают на себе давление вдвое меньшее, чем стены дома.

Почему дома не уходят под землю?

Это вопрос из разряда тех, которыми дети всё время донимают взрослых. Как ни странно, многие из нас вполне довольны своим ответом вроде «потому что у дома есть фундамент». Но очень часто он не помогает отделаться от любознательного семилетнего мальчугана, который, скорее всего, задаст следующий вопрос: «А почему тогда не уходят под землю фундаменты?» Тот факт, что в абсолютном большинстве случаев дома остаются стоять именно там, где их построили, показывает нам нечто очень важное с точки зрения взаимодействия действующих на них сил: эти силы бывают двух видов. Есть статические (которые объясняют неподвижность домов и сооружений) и динамические (которые объясняют, почему скейтборды и ракеты движутся). А правильно понял законы их взаимодействия мрачноватый английский математик с переменчивым характером, чье имя слышал всякий и которого многие считают величайшим ученым в истории человечества: сэр Исаак Ньютон.

Это закон природы!

Из всех идей, которыми Ньютон обогатил современную физику, лучшие и гениальные касаются взаимодействия различных сил. А самые простые и фундаментальные изложены в трех уравнениях, которые называются законами движения. Первая из них (она же первый закон Ньютона) утверждает, что объект находится в состоянии покоя до тех пор, пока на него не начнет действовать какая-то сила. Этот закон следует помнить, когда вы забываете, куда положили ключи от машины или очки: вещи сами по себе не двигаются. Второй закон Ньютона рассказывает, что происходит с объектами, когда к ним прикладывается сила, заставляющая их двигаться. Вы бьете ногой по мячу (прикладываете к нему силу), и он взмывает в воздух, приобретая ускорение. Третий закон во многих смыслах самый интересный. Он гласит, что, когда на объект действует какая-нибудь сила, ей противодействует точно такая же по величине сила. Часто этот закон записывается в такой форме: «Все тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению»[9].

Как это применимо к зданиям? В случае небоскреба, который высится всей своей громадой в центре города и никуда не двигается, первый и второй законы Ньютона позволяют сделать вывод, что на него не воздействуют никакие силы. Первый закон гласит, что на тела в состоянии покоя никакие силы не действуют. Второй утверждает, что тело начинает двигаться только под действием каких-то сил. Вместе оба закона позволяют сделать вывод, что небоскреб остается в состоянии покоя, потому что на него не действуют никакие силы. Но мы знаем, что гравитация – сила земного притяжения – воздействует на здание постоянно. Если Ньютон был прав, то мы можем сказать, что все здания должны были бы под воздействием гравитации всё время «вгрызаться» в Землю. Хотя бы до того времени, пока их не растопит в кипящий суп чудовищный жар ядра нашей планеты.

Так почему этого не случается? Когда сила земного тяготения действует на тело строго вертикально вниз, земля с такой же силой противодействия выталкивает здание вверх. Две силы компенсируют друг друга, и здание никуда не двигается. Почему же его фундамент не уходит в землю? Потому что земля выталкивает его наверх. Даже самые высокие и тяжелые небоскребы редко дают усадку сверх допустимой. Многие из них покоятся на сваях, забитых глубоко в грунт. Эти сваи обычно либо достигают прочных скальных слоев, либо удерживаются на месте за счет высокой силы трения между их поверхностью и грунтом. Движение возникает только тогда, когда противоположные силы перестают компенсировать друг друга. Если здание начинает «плыть» в мягком грунте, то, с точки зрения физики, объясняется это тем, что он не создает достаточной противодействующей силы, которая удерживала бы здание от ухода под землю. Излишек силы, которая действует по направлению вниз (разница между весом здания и выталкивающей его вверх силой), и создает то движение, которое обеспечивает «усадку».

Откуда появляются эти силы?

Если фундаменты не предотвращают падение зданий, откуда берутся силы, которые не дают им уйти под землю? Всё в мире построено из примерно 100 разных видов атомов – кирпичиков конструктора жизни, которые мы знаем как химические элементы (например, железо, серебро, углерод и кислород). Группы атомов составляют более крупные структуры, называемые молекулами: например, два атома водорода и один атом кислорода образуют молекулу воды (Н2О). Большинство сил, с которыми мы встречаемся каждый день, возникают между атомами, внутри молекул или между молекулами. Об атомах и молекулах будет больше рассказано в следующих главах, а сейчас вкратце рассмотрим, как они могут создавать силы внутри зданий.

Как атомы противодействуют атаке

Представьте себе, что вы строите дом на огромном куске железа. Он состоит из атомов железа, выстроенных в очень жесткую структуру, подобную той, которая получилась бы, если бы мы плотно подгоняли сотни мраморных шариков один к одному в коробке. Каждый атом похож на шарик. Внутри него обычно заключено пустое пространство, но, как в большинстве сладостей, самое интересное начинается ближе к центру. На границах атомов есть «мягкие» облака электронов с отрицательным электрическим зарядом (как нижний конец батарейки). В центре атома расположено ядро, состоящее из очень плотно взаимосвязанных протонов и нейтронов и имеющее положительный заряд (как верх батарейки). Отрицательно и положительно заряженные части атомов не дают им слишком близко подойти друг к другу. Вы не можете сколь-нибудь заметно сжать кусок железа, потому что отрицательно заряженное электронное облако одного атома не может существовать вблизи такого же облака другого атома. Атомы взаимно отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные полюса магнита. Чем ближе вы придвигаете атомы друг к другу, тем труднее их сжать.