Помоги проекту - поделись книгой:
Они выяснили, что в искровых каналах сильного электрического разряда имеют место области высокого давления и температуры, которые деформируют поверхность диэлектрика. Используя акриловый блок, можно «поймать» молнию, словно в стеклянную коробку.
Впрочем, пока так была получена «скульптура» лишь молнии искусственного происхождения. Электроны, вылетающие из ускорителя, обладают энергией до 10 МэВ и движутся приблизительно со скоростью света. Однако когда пучок электронов проникает в глубь акрила, он быстро замедляется, сталкиваясь с молекулами пластика, и оставляет следы в виде «куста» молний.
ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
По следам Теслы
Некоторым исследователям до сих пор не дают покоя загадки знаменитого сербского изобретателя
Вот тому некоторые примеры.
Говорят, Тесла был человеком очень необычным. Он спал всего 2 часа в сутки, мог пройтись по улице колесом, свободно говорил на 8 языках… А еще страдал боязнью микробов, поэтому при каждой возможности мыл руки. Кроме того, еще с детства ему являлись видения, и он, как утверждают, таким образом умел предвидеть будущее. Однажды он спас своих знакомых, посоветовав им не садиться на поезд, который вскоре потерпел крушение.
Надо сказать, что отец Николы, священник, никогда не одобрял занятий своего сына. Он настаивал, чтобы тот непременно шел в семинарию. Мальчик сначала сопротивлялся, а потом. заболел. Да так сильно, что отчаявшийся отец даже пообещал сыну, что, если тот выздоровеет, препятствовать ему в выборе профессии уже не будет. Никола вскоре пошел на поправку.
Еще учась в Пражском университете, Тесла заинтересовался переменным током. Преподаватели смотрели на ученика как на ненормального, поскольку в то время все исследования велись лишь с постоянным током.
В 1882 году Тесла купил билет на пароход и отправился в Америку к известному изобретателю Эдисону. Поработав у него какое-то время, Тесла уволился разочаровавшись оплатой, и спустя время принял выгодное предложение компании «Ниагарские водопады», попросившей построить мощный генератор переменного тока.
Получив оплату, Тесла получил возможность экспериментировать. И в 1893 году на Всемирной выставке в Чикаго устроил целое представление, удивившее как специалистов, так и обычных посетителей. Например, он пропускал через свое тело ток в 2 млн. В без всякого вреда для себя. Потом он объяснил свой трюк — сила тока высоких частот несмертельна, потому что он проходит по поверхности тела.
В 1899 году в Колорадо-Спрингс Никола Тесла без каких-либо проводов смог зажечь сразу 200 электрических лампочек. Причем это «светопредставление» сопровождалось раскатами грома и 40-метровыми молниями.
После этого ученому поступило новое предложение — построить в Нью-Йорке Всемирный центр беспроводной передачи энергии «Ворденклиф». Однако в 1905 году строительство было прервано. Спонсоры решили, что им будет трудно взимать плату с людей за электричество, которое те смогут черпать прямо из атмосферы.
Тесла расстроился и вскоре практически перестал общаться с внешним миром, продолжая, тем не менее, вести исследования, которые, по его мнению, могли пригодиться будущим поколениям. А когда он умер, оказалось, что большая часть его документов и записей таинственно исчезла, а то, что осталось, было сильно повреждено внезапно начавшимся пожаром.
С той поры изобретатели многих стран ищут способы передачи энергии на расстояние без проводов с возможно меньшими потерями. Хотя до эффектных опытов Теслы еще далеко, кое-что сделать им удается.
Так, несколько лет назад американская компания Energous разработала метод беспроводной зарядки электронных устройств. Прототип генератора может излучать 10 Вт, этого более чем достаточно для зарядки смартфона или планшета на расстоянии до 4,7 м. Компания надеется вскоре выпустить свою разработку на рынок.
Причем, когда речь заходит о беспроводной зарядке, обычно говорят о магнитном резонансе и двух катушках, играющих роль антенн, настроенных на определенную частоту. При передаче электроэнергии одна катушка наводит электромагнитное поле в другой. На этом способе основаны почти все современные беспроводные технологии зарядки. Все, кроме Energous.
Как пишет журнал Technology Review, компания Energous использует иную технологию, включающую в себя «множество маленьких антенн». Эти антенны посылают радиоволны ближайшим мобильным устройствам, которые находит через Bluetooth.
Генератор Energy Router может передавать энергию сразу нескольким потребителям даже во время их перемещения. Эксперты полагают, что для передачи энергии с минимальными потерями формируется некий пучок направленного электромагнитного излучения. Однако даже при этом КПД устройства составляет не более 20 %, да и «дальнобойность» передачи оставляет желать лучшего.
Еще одно подобное устройство создали физики под руководством Ярослава Уржумова из Университета Дьюка. Его основная часть, как пишет журнал Scientific Reports, — некая «суперлинза», которая представляет собой квадрат со стороной 40 см, состоящий из множества отдельных ячеек. Внутри них опять-таки находятся небольшие медные антенны. Во время работы устройство помещают между приемником и передатчиком, роль которых выполняют магнитные катушки. Задача «суперлинзы» заключается в том, чтобы сконцентрировать поле в направлении передатчика и сделать перенос энергии более эффективным.
Индукция между катушками с переменным током без использования линзы крайне неэффективна. Точнее, с увеличением расстояния эффективность этого процесса падает пропорционально 6-й степени расстояния. Например, для электромагнита полуметрового размера эффективность передачи на расстоянии в 1,5 м составляет около 10-й доли процента. Созданное физиками устройство позволяет увеличить это значение приблизительно в 5 раз. Однако и этого для практических целей маловато.
Чтобы не заканчивать наше повествование на печальной ноте, поговорим о самой последней — и, судя по всему, успешной — попытке. Ею стало испытание системы, разработанной японской компанией Mitsubishi Heavy Industries для накопления солнечной энергии в космосе и передачи ее на Землю.
В экспериментальной установке передатчик и приемник энергии были расположены на расстоянии 500 м друг от друга. Излучение мощностью 10 кВт было передано в микроволновом диапазоне, а об успехе передачи ученым сообщил светодиодный индикатор, установленный на приемнике. Компания, правда, не сообщила, какое количество энергии в процентном отношении достигло приемника. В предыдущих испытаниях технологии, проводившихся на Гавайях, только незначительная часть энергии (около 1 %) преодолела расстояние от одного острова до другого.
Вопрос потери энергии исключительно важен, поскольку планы компании включают в себя запуск спутников на геостационарную орбиту на высоту 36 000 км для сбора и передачи солнечной энергии. Поэтому в процессе эксперимента была также проверена технология ориентирования пучка энергии в пространстве, предназначенная для предотвращения рассеивания. Кроме того, во внимание были приняты соображения безопасности. Наземная станция с приемником, по планам, будет располагаться на искусственном острове в Токийском заливе. Так что точная фокусировка пучка необходима ввиду близости столицы Японии.
В настоящее время японское космическое агентство JAXA, а также некоммерческая полугосударственная организация «Японские космические системы», являющиеся заказчиками технологии, разрабатывают два варианта поставки солнечной энергии.
Один из них включает в себя огромную квадратную панель с длиной стороны 2 км, верхняя часть которой будет покрыта фотогальваническими элементами, а нижняя — передающими антеннами. Системы управления и коммуникации будут располагаться в отдельном блоке, связанном с панелью 10-км проводами. Другой вариант предполагает установку огромных зеркал рядом с двумя солнечными панелями. Эти зеркала, находясь в свободном полете, без привязки (в прямом смысле) к панели или передатчику, будут круглосуточно отражать солнечный свет на панели.
В то же время изобретатели думают и над тем, как на практике применять устройства, использующие «энергию из окружающей среды». Так, компания Volvo заявила, что совместно со шведским транспортным управлением строит экспериментальный участок дороги длиной около 500 м. По специальному покрытию будет курсировать автобус Hyper Bus, который будет заряжаться по воздуху.
Кстати, электробусы Volvo Hyper Bus уже ездят по шведскому городу Гетеборгу. Однако они пополняют заряд своих аккумуляторов в самом конце маршрута — через специальную установку с быстрой проводной зарядкой. Время полной «заправки» составляет от 5 до 8 минут.
Если эксперимент с новыми дорогами удастся, то автобусы Volvo Hyper Bus смогут подзаряжаться во время движения по маршруту.
В любом случае, рано или поздно на смену традиционным зарядкам придут новые технологии, которые окажутся более экономичными и смогут всегда выручить вас, если в зоне доступности не окажется электророзетки. Это поможет не прервать важный разговор, отправить экстренное сообщение, закончить срочную работу или просто скоротать время за развлечениями в дороге или при ожидании. Не исключено, что в самом ближайшем будущем электрическая подзарядка вообще уйдет в прошлое, а портативные устройства, подключаемые к розетке, станут архаизмом.
ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Защита от землетрясения
Все это немного походит на научную фантастику. Тем не менее, возможность защиты зданий, строений и сооружений от землетрясений с помощью сейсмического «плаща-невидимки» может стать реальной. Идея заключается в том, чтобы окружить строение специальным барьером, который воспрепятствует проникновению сейсмических колебаний под фундамент.
Сейчас наши соотечественники из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и группа исследователей-математиков из английского Килского университета под руководством профессора Юлия Каплунова в рамках совместного проекта изучают перспективы создания специальных материалов, способных делать как бы невидимыми для землетрясений объекты, в основании которых они заложены. Учеными разработан уникальный математический аппарат, позволяющий эффективно исследовать выявленную профессором Каплуновым волну — первопричину разрушений на земной поверхности во время подземных толчков, а также описывающий методы борьбы с ней.
Подход российских ученых примечателен тем, что они изначально поставили перед собой цель понять все первопричины разрушений, вызываемых землетрясениями, а также найти эффективные методы борьбы с ними. В частности, установлено, что из всех видов сейсмических волн, которые порождают подземные толчки, в первую очередь нужно изучить так называемые поверхностные волны Релея — именно они вызывают наибольшие разрушения.
Ученые смогли показать, что волна Релея описывается почти такими же соотношениями, как и волна света. Явления на первый взгляд разные, но математическая модель у них одинаковая. Если опустить все математические сложности и упростить ситуацию до предела, то можно сказать, что учеными разработана конструкция своеобразного мола, о который будут разбиваться сейсмические волны, примерно так же, как бетонные сооружения на побережье не дают разгуляться волнам морским.
«Задача, которую нам теперь предстоит решить, это поиск подходящего метаматериала, который мог бы послужить основой для защитных конструкций. При взаимодействии с такой конструкцией волны Релея будут уходить в стороны, не повреждая защищаемого сооружения. Такие метаматериалы, в принципе, уже существуют, например, на основе меди», — уверяет Ю. Каплунов.
Кстати, идея создания мантии-невидимки для сооружений сама по себе не нова: над этой же проблемой работают научные группы в Манчестере, Марселе и в ряде других университетов. Так, ученые из Южной Кореи и Австралии представили еще одну теоретическую концепцию защиты от землетрясений с помощью метаматериала.
Суть идеи — в создании своеобразного волновода, который должен окружать фундамент здания и оберегать его от воздействия сейсмических волн. Расчеты, проведенные авторами, показывают, что такой волновод должен представлять собой подземный барьер в виде цилиндра. Его размеры подбираются так, чтобы экспоненциально уменьшать амплитуду сейсмических волн.
К упомянутым параметрам относятся толщина стенок цилиндра, а также тип и размеры простых элементов, из которых (по аналогии с оптическими метаматериалами) создается барьер. К примеру, в определенных случаях неплохой защитой служат бетонные цилиндры объемом около 1 куб. м, со стенками толщиной в 10 см, в которых проделаны четыре небольших отверстия. Кроме того, на практике можно будет применять кубические или гексагональные элементы, утверждают исследователи. Разные типы конструкций соответствуют разным частотам сейсмических волн.
Однако пока затраты на сооружение подобных барьеров настолько велики, что имеет смысл устанавливать волноводы из метаматериала по соседству с особо важными объектами — в аэропортах, на ядерных электростанциях и мостах.
Подобный метод защиты описан и в работе команды из Математической школы Манчестерского университета. Опять-таки для защиты зданий предлагается использовать цилиндры из синтетического метаматериала, которые размещаются в земле рядом с фундаментами. Материал поглощает механические сейсмические колебания, переводя их энергию в другие виды, напри
мер, звук и тепло, что снижает силу колебаний и предохраняет здания от разрушения. При этом, по словам профессора Уильяма Парнелла, исследователям уже удалось добиться того, что самый обычный материал (резина) может использоваться в качестве амортизатора при упругих механических волнах определенного типа.
Ученые считают, что разработка подобных защитных конструкций будет особенно актуальна для регионов с сейсмической активностью, например, для Дальнего Востока, а также для Новой Зеландии, Японии, Китая, ряда стран Европы и Южной Америки.
НЕСЧАСТЬЕ МОЖНО ПРЕДСКАЗАТЬ?
О надвигающихся подземных толчках расскажут изменения в химическом составе грунтовых вод. Надежность таких прогнозов доказали шведские ученые, авторы статьи в журнале Nature Geoscience.
Аласдер Скелтон из Стокгольмского университета и его коллеги в течение 5 лет каждую неделю брали пробы воды из глубокой скважины. За это время в регионе случилось два землетрясения (интенсивностью 5,6 и 5,5 балла), и за несколько месяцев до них сейсмологи наблюдали сдвиги в соотношении изотопов водорода и уровня ионов натрия.
Впрочем, пока Скелтон не может сказать, какие именно процессы вызвали эти сдвиги. Вероятно, из-за раскалывания или тряски подземных пород в скважину попала вода из других источников.
УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!
Бегущие по воде
«Я тороплюсь, я спешу!» — восклицала Фрези Грант — героиня фантастической повести Александра Грина. Но, наверное, даже сам писатель не догадывался, почему она должна именно бежать. А все дело в физике, которая утверждает: если остановиться, то сразу утонешь. Или, по крайней мере, погрузишься в воду по самую шею. Известный физик, академик
Между тем мы совершенно не удивляемся, когда видим скользящую по воде водомерку. Нам кажется, что легкому насекомому просто удержаться на зыбкой поверхности хотя бы потому, что его ничтожный вес вполне выдерживает поверхностное натяжение жидкости. Оно, это натяжение, и не дает водомерке погружаться в воду.
А как быть более крупным и массивным существам, которых поверхностное натяжение уже не держит? Ящерица василиск знает свой секрет движения по воде, утверждают доктор Тония Хсих и ее коллеги из Университета Гарварда. Они полагают, что раскрыли секрет шлемоносного василиска (Basiliscus plumifrons) — одной из разновидностей ящериц, умеющих бегать по водной поверхности. Для этого они соорудили в бассейне своеобразную беговую дорожку длиной несколько метров. Вода была заполнена серебряными светоотражающими частицами, позволившими с помощью лазерной подсветки и скоростной (250 кадров в секунду) видеосъемки визуализировать потоки вокруг ног ящерицы и вычислить по ним силы, действующие в системе.
Считалось, что во время бега задние ноги ящерицы довольно глубоко погружаются в воду — ее отталкивания от воды попеременно правой и левой ногой больше напоминают интенсивные гребки, создающие подъемную силу и заодно двигающие ящерицу вперед.
Однако эксперименты показали огромное значение поперечной силы, возникающей каждый раз, когда ящерица производила толчок. При ходьбе по твердой поверхности поперечные силы ничтожны по сравнению с силами, направленными вдоль направления движения. В воде же они оказались сопоставимы. Фактически ящерица постоянно стабилизирует себя, поддерживая вертикальное положение, чтобы не упасть и не утонуть. А правильное положение корпуса, в свою очередь, способствует правильному распределению гидродинамических сил, поддерживающих вес ящерицы.
Несколько иная технология бега по воде у довольно крупной водоплавающей птицы — поганки. Если обычные утки и гуси бегут при взлете, активно помогая себе крыльями, то поганки просто очень быстро перебирают лапами, делая как минимум 20 шагов в секунду.
«Причем секрет «хождения по воде» одной лишь скоростью не исчерпывается», — полагают зоологи из Гарварда, наблюдавшие за поганкой Кларка и западноамериканской поганкой в их естественной среде. Сделанные ими более сотни видеозаписей с бегущими птицами позволили построить трехмерную модель движений птичьих лап. Конечно, у поганок, как и у ящериц василисков, лапы все-таки погружаются в воду, так что они делают отчасти шаг, отчасти гребок. Но оба движения — погружение лапы в воду и вытаскивание ее из воды — птицы делают иначе, чем ящерицы. На воду поганки кладут лапы с растопыренными пальцами, проводят их под водой, а потом сжимают пальцы и вытаскивают лапу на поверхность, отодвигая ее в сторону. Сжатые в «кулак» пальцы и движение вбок позволяют уменьшить при этом сопротивление воды.
Авторы исследования пишут, что строение лап поганок и частота, с которой они двигаются, обеспечивают птицам до 30–55 % подъемной силы, необходимой, чтобы поддерживать режим бега по воде. А вот остальные проценты обеспечивает именно характерная манера двигать лапами назад и вбок. Кстати, своеобразная манера двигать лапами делает поганок еще и выдающимися ныряльщиками. «Возможно, птицы смогут подсказать инженерам некоторые идеи относительно того, как можно усовершенствовать наши плавательные аппараты», — утверждают исследователи.
Поделиться книгой: