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

Блоки – механизмы, состоящие из колес и тросов, которые вы можете видеть, например, на кранах. Трос двигается по ряду колес, и в результате поднимаемый краном вес распределяется между различными участками троса. Кран способен поднимать огромные и тяжелые предметы, но медленно. Вы наверняка неоднократно наблюдали, как на высотных зданиях такие устройства доставляют туда-сюда тяжеленные блоки. И наверняка задумывались: а что случится, если трос лопнет? Но он никогда не лопается. Ведь он не трется о неподвижный блок, поэтому мало изнашивается. Блок вращается вместе с движением троса точно с такой же скоростью. В месте соприкосновения троса с блоком трения почти нет. Как и в принципе работы колес, с которым вы познакомились в главе 3, трение в блоке сосредоточено в основном на его оси, поэтому тросу оно не наносит вреда.

Джинсы тяжелы, и та их часть, которая приходится на пояс и бедра, работает больше, чем низ штанин (ей приходится нести на себе весь вес вещи). Наибольшее воздействие сил трения испытывают колени – поэтому джинсы изнашиваются на них быстрее всего. Проблема джинсов в том, что на наших коленях нет блоков. Если в кране блок позволяет тросу плавно двигаться вместе с собой без особого трения, штанина постоянно с большим сопротивлением двигается по вашему костистому колену. Поэтому появление здесь дыр – только вопрос времени.

Чинить одежду нужно вовремя

Когда мы задумываемся о силах, которые работают в нашей одежде, нам проще понять, почему она может нас украшать, а может и не украшать. Здания проектируются надежными и способными противостоять любым земным силам и природным катаклизмам, а одежда должна быть удобной и легко приспосабливаемой к любой среде, мягкой и легко двигаться вместе с телом. Она должна учитывать силы, которые на нее действуют, но иначе, чем другие материалы (в том числе строительные).

Возьмем, например, свитер, связанный из шерстяных или акриловых ниток ровными рядами. Рассмотрите внимательно разные предметы одежды – от носков и рубашек до платьев и пальто, – и вы увидите то же самое: основу и уток, которые в широком смысле являются аналогами рядов и колонок атомов, например, в куске железа. Но если этот кусок имеет одинаково жесткую структуру по всем направлениям (научно говоря, является изотропным), то ткани прочнее в одних направлениях, чем в других (анизотропны). Например, они легче тянутся по диагонали, чем по основе или утку, потому что сопротивление в диагональном направлении у них меньше. Дизайнеры и конструкторы одежды часто «искривляют» ткань так, чтобы основа и уток располагались по диагонали (так называемый косой крой). Такой крой особенно распространен в женской моде. Подобная одежда облегает тело, выгодно подчеркивая формы, и ткань натягивается в одних направлениях больше, чем в других[300].

Одежда изнашивается быстрее, чем стареют здания, – по вполне очевидным причинам. Трение быстро расправляется с коленями ваших брюк. Но это не единственная сила, которая атакует ваш гардероб. Если вы несколько раз согнете и разогнете скрепку для бумаг, она сломается, потому что повторные напряжения вызывают микротрещины в кристаллической решетке металла. То же происходит и с одеждой. Если вы будете постоянно складывать и разворачивать ее, то в местах сгибов ткань будет ослаблена и возникнет нечто похожее на усталость металла. Рубашки для офиса быстро изнашиваются в районе воротничка: когда вы надеваете галстук, вы постоянно его сгибаете. В итоге хлопковые нити теряют структуру, как атомы в скрепках, из-за повторных напряжений в одном и том же месте.

Как только структура ткани в одежде нарушается, физические силы довершают процесс ее уничтожения. Легкая поношенность на коленях брюк обязательно превратится в зияющие дыры. Почему? Потому что в результате образующейся слабости в ткани остающиеся нити должны выдерживать большие нагрузки, что приводит к их постепенному истончению и разрушению. Небольшое повреждение в джинсах действует так же, как разлом в шоколаде (глава 9) или трещина в фюзеляже самолета. Чем больше разрыв, тем больше напряжение на оставшихся волокнах и выше вероятность того, что разрыв увеличится. Силы минимальны тогда, когда минимален разрыв. Поэтому есть прочное научное обоснование под старой поговоркой «кто вовремя делает один стежок в прорехе, тот избавляет себя от девяти других стежков».

Наука вокруг ботинок

Наука проникает повсюду – даже под ваши ноги. Каждый, даже не очень уверенный шаг, который вы делаете, включает физику.

Если мы изучим задействованные силы, то увидим, что ходьба включает в себя отталкивание от твердой поверхности для движения вперед. Это великолепная иллюстрация третьего закона Ньютона о движении. Для эффективного движения нога должна плотно соприкасаться с землей. Это легче понять, если сравнить шину автомобиля и резиновую подошву ботинка. Точно так же, как шина отталкивается от дороги и двигает колесо вперед, ваша нога позволяет вам отталкиваться от земли, не поскальзываясь. Чем менее эффективно нога отталкивается, тем труднее ей двигаться вперед. Нам трудно перемещаться по скользким поверхностям вроде льда или мокрых полов и по мягким покрытиям типа песчаных пляжей. При таком движении нога проскальзывает назад, и вы либо теряете равновесие, либо прилагаете дополнительные усилия для движения вперед. Именно поэтому ходьба по песку или снегу отнимает в два, а то и в три раза больше энергии, чем ходьба по твердой поверхности[301]. Если обувь, в которой вы двигаетесь, вмешивается в процесс, возникают новые проблемы. Всегда труднее идти в сандалиях или вьетнамках: даже отталкиваясь от земли, они неравномерно движутся вокруг ваших ног, усложняя процесс отталкивания и продвижения вперед. Также очень важен размер вашей обуви. Свободная, просторная обувь более комфортна, чем плотная, но в ней труднее идти, поскольку не создается отталкивающая сила, которая продвигает вас вперед.

Может показаться, что при ходьбе практически не расходуется энергия (или ее расходуется очень мало): хоть вы и должны поднимать ноги, через мгновение вы ставите их обратно. Теоретически, ставя ногу на землю, вы получаете обратно всю энергию, которую израсходовали на поднятие конечности наперекор силе гравитации. Но на практике вы теряете энергию, поскольку вам приходится напрягать и расслаблять мышцы. Вообще ходьба – не очень эффективное физическое упражнение, ведь вы должны поворачивать корпус из стороны в сторону и переносить вес тела с одной ноги на другую[302]. Каждый шаг подразумевает, что вы сначала изгибаете, а потом выпрямляете свой ботинок, что приводит к потере энергии точно так же, как при «сопротивлении качению» у шины автомобиля или велосипеда (см. главу 4). Многие понимают, что дальние пешие походы или походы в горах даются труднее, если вы носите тяжелые ботинки, но гораздо менее очевидно, что жесткая обувь также может отнимать у вас энергию.