Движение тел с очень высокой точностью подчиняется законам Ньютона. Согласно этим законам два взаимодействующих тела, на которые не влияют никакие внешние силы, могут находиться в покое друг относительно друга, только если силы их взаимодействия уравновешиваются. Нам удается неподвижно стоять на земной поверхности, потому что сила земного притяжения в точности компенсируется силой давления поверхности Земли на поверхность нашего тела. При этом Земля и наше тело деформируются, благодаря чему мы и ощущаем тяжесть. Если, например, мы станем поднимать какой-то груз, то ощутим его тяжесть через напряжение мышц и деформацию тела, посредством которого груз опирается на землю.
Если же такой компенсации сил нет, начинается движение тел друг относительно друга. Это движение всегда имеет переменную скорость, причем может меняться как величина скорости, так и ее направление. Теперь представим, что мы разогнали какое-то тело, направив его движение параллельно поверхности Земли. Если стартовая скорость была меньше 7,9 км/с, то есть меньше так называемой первой космической скорости, то под действием земного притяжения скорость тела начнет изменяться и по величине, и по направлению, и оно обязательно упадет на Землю. Если скорость разгона была больше 11,2 км/с, то есть второй космической скорости, тело улетит и никогда не вернется на Землю.
Если же скорость была больше первой, но меньше второй космической скорости, то при движении тела будет меняться только направление скорости, а величина останется постоянной. Как вы понимаете, это возможно, если только тело движется по замкнутому кругу, диаметр которого тем больше, чем ближе скорость ко второй космической. Это и означает, что тело стало искусственным спутником Земли. При определенных условиях движение будет происходить не по круговой, а по вытянутой эллиптической траектории.
Если тело в районе Земли разогнать в направлении, перпендикулярном к отрезку, соединяющему Землю с Солнцем, до скорости 42 км/с, оно навсегда покинет пределы Солнечной системы. У Земли скорость движения по орбите всего 29 км/с, поэтому она, к счастью, не может ни улететь от Солнца, ни упасть на него и навсегда останется его спутником.
Почему стекло легко бьется?
Стекло изобретено людьми несколько тысяч лет назад. В сознании большинства стекло стало символом хрупкости. Хрупкие предметы отличаются тем, что они, обычно весьма твердые, при сравнительно малом деформировании разлетаются на осколки.
Мы все знаем, что одно и то же неорганическое химическое вещество может находиться в трех состояниях: газообразном, жидком и кристаллическом. Каждое из этих состояний характеризуется специфическими признаками. В частности, кристаллы очень упорядочены и имеют такую строгую периодичность расположения атомов, что по положению одного можно с очень высокой точностью определить положение других атомов кристаллической решетки, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Это называется наличием дальнего порядка. В жидкости по положению одного атома можно предсказать положение лишь близких к нему атомов. Это называется близким порядком.
Стекло же по степени упорядоченности атомов занимает промежуточное положение. Обычно стекло образуется в результате охлаждения довольно вязких расплавов различных веществ, хотя существуют и иные способы его получения.
Основной компонент привычного нам стекла — окись кремния, то есть обычный песок. Такое стекло называется силикатным. Стекла могут быть получены на основе самых разных веществ. Например, застывшая вулканическая лава и застывшая смола (янтарь) — это тоже стекла. Всевозможные добавки сильно влияют на свойства стекол.
Отчего же обычное стекло такое хрупкое? Причин здесь две. Первая — это ближний порядок. При сильной деформации, особенно при ударах, могут разрываться связи между атомами, то есть образуются микротрещины. При снятии деформации связи могут восстановиться, а вместе с ними — целостность материала. В кристалле это происходит легче, так как если атом нашел себе пару, то из-за высокой периодичности даже его дальние соседи найдут пары. Микротрещина срастется. В стекле же из-за отсутствия дальнего порядка этого не произойдет.
Вторая причина — исходное наличие дефектов, зародышей разрушения. Поверхность даже только что изготовленного стекла всегда покрыта множеством микротрещин. При ударе на них концентрируется напряжение, от этого трещины развиваются и увеличиваются в размере вплоть до полного разрушения связей между фрагментами объекта. Например, с помощью стеклореза на поверхности оконного стекла создаются именно такие зародыши, отчего отрезанный кусок легко отламывается.
В наши дни научились делать стекла потрясающей прочности, в частности пуленепробиваемые. Для этого различными физико-химическими способами регулируют состав и порядок расположения атомов, а также борются с зародышевыми микротрещинами. Так как чаще всего они находятся на поверхности стекла, то путем закаливания или химической обработки их удается уничтожить, и стекло становится прочным.
Однако в обыденной жизни стекло бьется довольно часто. Хотя это бывает и счастливой приметой, все же будьте осторожны.
Почему толкаются в автобусе?
Ответ, который напрашивается сам собой: потому что тесно. Это правда, но не вся. Почему эти толчки, хотя и неприятны, но не задевают нас? Да и сами мы не особенно переживаем, если в тесноте заденем кого-то.
Вопросы такого типа сравнительно недавно из житейских перешли в разряд научных. Наука, называемая синергетикой, начала изучать коллективное поведение больших ансамблей таких частиц, состояние которых меняется не только от внешних воздействий, но и в силу их собственной внутренней активности. Эти частицы так и называются — активными. К ним, в частности, относятся нервные клетки. В некоторых случаях так можно рассматривать и человека, и коллектив.
Вот, например, в журнале «Автоматика и телемеханика» опубликована научная работа «Заполнение пассажирами пространства в общественном транспорте»[2]. В ней моделируется «двигательное поведение пассажиров в городском общественном транспорте — в салоне автобуса или троллейбуса, в вагоне трамвая, метро или электрички… во время посадки, поездки и высадки». Результатом такого моделирования «могли бы стать предсказания степени заполнения салона или вагона, оценка уровня комфортности, рекомендации относительно конфигурации салона».
Работа сложная. Попробуем разобраться в нашем примере сами. Мы увидим, что все дело в представлении человека о величине его индивидуального пространства, в которое не должны проникать посторонние.
Вот в пустой автобус входит первый пассажир. Если у него нет клаустрофобии (боязни тесноты) или иных причин, он сядет у окошка. Если второй пассажир незнаком с первым, то он также сядет у окошка, но у другого. Если же он сядет рядом с первым пассажиром, то есть нарушит его индивидуальное пространство, это, скорее всего, будет расценено как вызов. Если же рядом с первым пассажиром сядет его знакомый, то это будет выглядеть вполне естественно. И наоборот, если его знакомый не сядет рядом, это уже будет рассматриваться как вызов.
Когда свободные места станут заканчиваться, уже никто не будет обращать внимания на то, кто куда сел. Потом начнется заполнение площадок и прохода. Сначала люди будут держаться поодаль, а по мере заполнения сближаться, касаться и даже толкаться, если надо продвинуться по салону, уже не говоря, если в него надо вбиться через дверь. И никто особо не будет обижаться, потому что по мере роста концентрации людей в салоне изменяется оценка ими величины их индивидуального пространства, в которое не должны вторгаться посторонние. Именно факт такого вторжения или его отсутствия вызывает ответную реакцию.
В разных культурах представления об индивидуальном пространстве разные. Например, даже незнакомые друг с другом итальянцы часто разговаривают, держа дистанцию всего 30 см, что совершенно немыслимо для России или Америки.
Представление об индивидуальном пространстве есть и у водителей автомобилей. Оно сильно влияет на то, как формируются потоки автомобилей на дорогах и как образуются пробки. Об этом как-нибудь в другой раз.
Почему у одних деревьев листья, а у других иголки?
Разница между хвойными и лиственными растениями настолько бросается в глаза, что представляется нам главным различием. Между тем главное различие — в способе размножения.
По научной классификации хвойные относят к голосеменным растениям. Иногда их определяют как шишконосные, поскольку их семена часто хранятся в шишках. Перед тем как упасть на землю, зрелые шишки могут довольно долго оставаться на растении. Некоторые огнестойкие сосны хранят семена в закрытых шишках 60–80 лет. В случае если огонь уничтожает родительское дерево, шишки раскрываются. В преобладающем большинстве родов хвойные — вечнозеленые. Листья обычно остаются на растении от 2 до 40 лет, однако существует пять родов, сбрасывающих листья осенью и зимующих голыми. К ним относятся, в частности, лиственница и тис.
По научной классификации хвойные относят к голосеменным растениям. Иногда их определяют как шишконосные, поскольку их семена часто хранятся в шишках. Перед тем как упасть на землю, зрелые шишки могут довольно долго оставаться на растении. Некоторые огнестойкие сосны хранят семена в закрытых шишках 60–80 лет. В случае если огонь уничтожает родительское дерево, шишки раскрываются. В преобладающем большинстве родов хвойные — вечнозеленые. Листья обычно остаются на растении от 2 до 40 лет, однако существует пять родов, сбрасывающих листья осенью и зимующих голыми. К ним относятся, в частности, лиственница и тис.
В нашей зоне с умеренным климатом иных голосеменных, кроме как с иголками и шишками, не встречается. Поэтому мы смело можем считать, что это одно и то же.
Ископаемые останки древних хвойных находят в отложениях позднего каменноугольного периода. Их возраст около 300 млн лет. Более современные роды, в том числе и уже вымершие, появляются в ископаемых отложениях возрастом 60–120 млн лет и даже более поздних. В древние времена среди хвойных встречались травянистые виды, не имевшие древесных волокон. Сейчас — только кустарники и деревья. Таким образом, хвойные продолжают свое эволюционное развитие.
Деревья, на которых мы обычно видим листья, относятся к цветковым, или покрытосеменным. Предполагается, что самым древним из них около 100 млн лет. Первыми, скорее всего, появились сережчатые — береза, ива, тополь, орех.
Параллельно развитию способов размножения шло и развитие листьев. Впервые они появляются у мелколиственных папоротников. Однако они еще не выполняют в достаточном объеме главную функцию листьев — фотосинтез и транспирацию, то есть испарение воды в атмосферу. Первые настоящие листья — это листья некоторых псилофитов, предшественников ископаемых и современных плаунов. Они также еще не совершенны.
Иголки хвойных — это тоже листья. Заложенные в них зерна хлорофилла обеспечивают фотосинтез, имеющиеся устьица обеспечивают испарение воды, необходимое для обмена веществ, а восковое покрытие — защиту от ультрафиолетового излучения. Листья цветковых более сложны. На них четко выражена сеть прожилок. Благодаря этому, даже если прожилки повреждаются, питательные вещества и вода всегда находят обходной путь до любой точки листа. Самые совершенные — листья бобовых, так как в них есть механизм ориентирования на солнце, обеспечивающий оптимальный угол наклона, поэтому и энергии поступает достаточно, и нет повреждений от ультрафиолетового излучения.
Изучать историю эволюционного соревнования очень интересно. Однако стоит помнить, что оно не имеет цели, поэтому мы и не можем ответить, почему на елках иголки, а на березах листья. Так получилось. Мы можем лишь разобраться, как именно это произошло.
Почему у человека на руках по пять пальцев?
В некоторых источниках сказано, что так определил Творец и обсуждать тут нечего. Конечно, это ненаучный ответ. Палеонтологические исследования показывают, что 340–350 млн лет назад на Земле жили животные с самым разным числом пальцев на конечностях. Но избыточное количество пальцев мешало оптимальной ходьбе и бегу. Конечности сухопутных животных начали эволюционировать. При этом одновременно менялась и конструкция стопы, и количество пальцев. Таков научный факт.
Природа остановилась на такой конструкции стопы, которой соответствует пять пальцев. Обратите внимание, что в те далекие времена можно было говорить только о стопе, потому что у животных были лишь передние и задние конечности. Только когда примерно миллион лет назад появился Homo erectus — человек прямоходящий, стало возможным говорить о верхних и нижних конечностях.
В связи с этим современные теории, которых оказалось на удивление мало, построены на логике соответствия конструкции стопы и количества пальцев. Одна из теорий дает ответ: на конечностях должно быть 4,7 пальца. Понятно, что это хороший вывод, поскольку его ошибка составляет всего 6 %.
Таким образом, пять пальцев на руках и ногах достались нам как наследство от далеких предков. Стало быть, встав на ноги, человек начал пользоваться доставшимися ему передними конечностями как верхними. Он перестал использовать их для передвижения, а применял лишь для работы. Именно так труд «сделал из обезьяны человека». Маленькие дети обязательно должны играть мелкими игрушками, так как это развивает мозг.
Конечно, кисть сильно изменилась. Главное, что большой палец оказался не отставленным, а противопоставленным, и человек стал держать предметы и инструменты так ловко и целесообразно, как не умеет больше никто. Важность большого пальца подтверждается еще и тем, что его представительство в мозгу очень велико и уступает только языку.
При дальнейшем поиске мне не удалось найти иных научных теорий, кроме тех, которые говорят, что разнообразие движений при росте числа конечностей, скажем как у сороконожки, не растет, а падает. Необходимость синхронизации движений неизбежно приводит не к росту, а к ограничению их разнообразия. Так что с пятью пальцами нам просто повезло.
Из-за того, что представительство разных пальцев в нервной системе разное, и ловкость их работы разная. Если ловкость всех пальцев соотнести с ловкостью большого пальца, то их эффективное количество оказывается меньше пяти.
Полагаю, в этом есть здравый смысл, поскольку, когда конструируют роботов, на их верхней конечности бывает и два пальца, обеспечивающих хороший хват, или три, обеспечивающих хорошую манипуляцию удерживаемыми предметами.
Тем не менее человеческая кисть, управляемая мозгом, — одно из самых совершенных творений природы, а вся цивилизация построена человеческими руками.
Почему «хороший» ковбой успевает выстрелить первым?
Известна такая история про великого датского физика Нильса Бора. Он очень любил возиться со студентами, занимался с ними спортом, альпинизмом и т. д. Однажды они обсуждали вестерны, и аспиранты стали смеяться: вот такая там всегда история, что хороший, положительный герой всегда успевает подстрелить злодея. И поэтому они относились к подобным фильмам свысока, даже с неким пренебрежением. Тогда Нильс Бор немножко подумал и сказал, что сейчас в этой игре всех перестреляет. И когда они попробовали, так и получилось. Как? Объяснение довольно простое. Если вы собираетесь на кого-то напасть, то какой-никакой возникает замысел, и вы сначала думаете, а потом делаете. А пока вы думаете, то демонстрируете, что готовится нападение. Тот же, на кого вы нападаете, не думает, отвечает рефлекторно, очень быстро. В результате сильно экономит время и, пока вы готовитесь, мигом успевает все сделать. Такая реакция называется ориентировочной. Конечно, человек, вынужденный обороняться, все равно должен тренироваться, но дело в том, что он все делает быстро, потому что ему не надо думать.
Сейчас мы с вами на опыте попробуем это. Я буду ковбоем, и мне нужен ассистент, который станет на меня нападать: он начнет хлопать в ладоши, а я должен буду успеть вставить револьвер между ладонями. Такая игра, кстати, была показана в фильме «Великолепная семерка». Игра будет проходить в два этапа. В первом случае хлопающий будет говорить «левый» или «правый». Это значит, что я должен вынуть левый пистолет или правый. Поскольку мне придется думать, какой пистолет вынуть, я, по-видимому, не буду успевать. А во втором опыте он просто будет молча хлопать. А я буду вставлять пистолет, уж какой мне понравится. Таким образом, быстро совершаются только такие дела, о которых не надо думать, а сразу делать. Но с этим надо быть очень аккуратным.
Почему человек умеет стоять?
По биологической классификации человек — Homo sapiens — отнесен знаменитым Карлом Линнеем к отряду приматов и входит в подотряд «высшие приматы» вместе с обезьянами и человекообразными обезьянами. От них он отличается четырьмя важнейшими биологическими признаками: умением стоять и ходить прямо, размером и сложностью устройства мозга, формой и расположением зубов, а также биомолекулярным составом, по которому, впрочем, он отличается от шимпанзе всего на 1 %.
Прямохождение дает человеку колоссальные преимущества в двигательной активности, однако и требует особой организации и управления. Как правило, движения человека, если это нетренированный спортсмен или артист, менее совершенны, чем движения животного, но зато более разнообразны и менее специализированны. Поэтому они могут быть хорошо приспособлены к любым потребностям и нуждам человека.
Интересно, что все перемещения животных и человека происходят только за счет вращательных движений костей конечностей в суставах, поскольку их растяжение не может быть большим. Так как костей и суставов, участвующих в формировании движений, у человека заведомо больше сотни, то количество степеней свободы скелета, а следовательно и разнообразие возможных движений и положений, оказывается необычайно большим. Как же сформировать целесообразные движения, включая такое важное, как удержание вертикальной позы?