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. Бо льшая 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.