Глава 18. Как одеваться, чтобы произвести впечатление

Из этой главы вы узнаете…

Почему овцы не дрожат на морозе.

Как крановый блок может объяснить, почему рвутся ваши джинсы.

Что общего у подвенечного платья и велосипеда.

Почему стежок, сделанный вовремя (с точки зрения науки), спасает девять других стежков.

Что такое ваша одежда, если не ваш дом, в котором вы можете разгуливать повсюду? Она выполняет ту же функцию, что и дом, но гораздо ярче и дешевле. Как и здания, одежда создает для нас тепло, уют и сухость. Она скопировала многие хитрости природы с доисторических времен. В последнее время ученые воспроизводят свойства растений и животных в так называемой биомиметической одежде. Появляются плавательные костюмы для олимпийцев, скользящие в воде, как акулья кожа; плащи, чьи поры открываются и закрываются, как у сосновых шишек. Одно из направлений, в которых развивается технология производства одежды, вызывает особый интерес. Уже можно предположить, что она будет «сливаться» с «носимой» электроникой и медицинскими устройствами. Вечерние смокинги станут менять цвет при повороте выключателя, летние рубашки с коротким рукавом – снабжать нас энергией солнца, а кардиганы со встроенными акселерометрами – распознавать, когда пожилому человеку стало плохо, и вызывать скорую помощь.

В доме мы используем множество высокотехнологичных материалов, а в одежде – всего пару. Но сходство сохраняется. Овечья шерсть в свитере не очень отличается от валяной шерсти, похожей на войлок, которая защищает от дождя и холода юрты в Монголии (в них живут кочевники-скотоводы). Известная спортивная арена О2 в Лондоне – гигантская палатка с крышей вроде зонтика, сделанной из тефлона (высокотехнологичного современного пластика, который используется в производстве плащей и обуви). В современных офисах высокие стеклянные стены держатся за счет невидимых стальных опор. Микроволокна из нержавеющей стали введены в состав ковролинового покрытия в офисах для прочности и устранения электростатического эффекта[293]. Повсюду нас окружают пластмассы: в подошвах ботинок (полиуретан) и в быстро сохнущих шортах для скейтборда (нейлон), в оправе очков (поливинилхлорид) и в «окнах» теплиц (органическое стекло). В чем смысл? В том, что наши дома и одежда имеют много общего и в них работают одни и те же научные принципы.

Обеспечиваем себя теплом

Большинство людей видит в одежде барьер, который хранит тепло в своих волокнах (как шерстяной свитер) и в слоях воздуха между надетыми на нас вещами. Действительно, шерсть – замечательный термоизолятор (вы можете увидеть это на диаграмме ниже), гораздо более эффективный, чем большинство строительных материалов. Но если вы не живете в Монголии, тепло в вашем доме будет сохраняться за счет использования преимущественно дешевых синтетических каменно-волокнистых блоков, изготовленных из различных минералов, а не состриженных со спины травоядной овцы.

▲ Шерсть – хороший теплоизолятор. Овечья шерсть – один из лучших теплоизоляторов на Земле – эффективнее, чем большинство строительных материалов. В диаграмме представлены коэффициенты теплоизоляции различных материалов в расчете на толщину 2,5 см.

Современная наука способна обеспечить нас теплом. Но стоит помнить, что законы той же науки всячески стремятся нас охладить, перенося тепло в более холодную среду. В глубине вашего тела температура составляет около 37 °C, но во многих местах на Земле гораздо холоднее, поэтому наши внутренние источники энергии часто работают в невыгодных условиях. Что еще хуже, чем больше разница в температурах между двумя предметами, тем больше тепла будет переноситься от более теплого из них к более холодному. Поэтому в холодные дни мы теряем тепло быстрее, чем в жаркие[294]. И спорить тут не о чем: законы термодинамики заставляют тело охлаждаться, обрекая нас на жизнь, в которой принимать пищу необходимо всегда – хотя бы для того, чтобы согреться.

Как мы теряем тепло? Путем прямой теплопередачи от тела через кожу и одежду в воздух; через испарения с поверхности нашей кожи; через конвекцию и тепловое излучение всего, что на нас надето. Во время физических упражнений около половины тепла тела теряется за счет испарений (мы сильно потеем), 10 % уходит за счет теплового излучения, а около трети теряется за счет теплопередачи и конвекции[295]. Но всё зависит от погоды. В прохладный ветреный день, когда вы едете на велосипеде или совершаете пробежку, холодный воздух обдувает вас, забирая почти половину вашего тепла в результате конвекции, поэтому в такую погоду надо защищаться ветронепроницаемой одеждой. Даже если на вас надето несколько слоев одежды, ее внешний слой не должен быть проницаем для ветра, чтобы снизить тепловые потери в результате конвекции. (Если вы любите спать с открытыми окнами, одеяла, которыми вы укрываетесь, выполняют ту же работу. Они не просто снижают скорость потери тепла, но и уменьшают конвекцию от верхнего одеяла в воздух, который вас овевает.) В жаркий и влажный день вы не будете терять много тепла за счет испарений от вашего тела, поскольку воздух и так насыщен влагой. Поэтому вы включаете вентилятор, который усиливает конвекцию и охлаждает вас. В холодный, но сухой и безветренный день половину тепла вы будете терять из-за излучения. Поэтому в такие дни лучше надевать несколько слоев одежды, чтобы снизить теплопередачу от тела к верхнему слою одежды, откуда тепло будет уходить в результате излучения с поверхности.

Почему не дрожат овцы?

Морозным утром вы обычно тянетесь за своим самым теплым пуловером. Но что такое теплый пуловер ? Наверняка он сделан из шерсти, вероятнее всего, овец-мериносов, которая отличается особым согревающим эффектом. Шерсть хорошо впитывает влажные испарения (особенно воду); она наиболее гигроскопична (способна к поглощению воды) из всех натуральных волокон. Шерсть овец-мериносов часто используется в нижней спортивной одежде (термобелье). В ней много тонких и пушистых волокон, поэтому она лучше хранит тепло, чем шерсть обычных овец.

Когда шерсть встречается с водой, она проявляет экзотермичность , выделяя тепло. Она превращает пот в тепло в силу трех своих свойств. Помните, мы говорили о том, что молекулы воды полярны, поэтому притягиваются к вещам на манер магнитов? Они легко проникают в волокна шерсти и прилипают к ним своим водородным полюсом, встраиваясь в корковый слой (ячеистую структуру в центре волокон) и создавая водородные связи. Когда благодаря этому молекулы оказываются связанными между собой, они становятся более устойчивыми и выделяют энергию. Именно она частично и согревает ваше тело[296].

Второй «согревающий» эффект шерсти заключается в том, что она приостанавливает самоохлаждение организма. И происходит это за счет того, что шерсть хорошо поглощает и удерживает влагу с нашего тела. И наша кожа остается сухой (а не влажной, как в одежде из нейлона или полиэстера). Это важно, поскольку потоотделение у человека – по сути механизм охлаждения. Когда вы потеете и пот остается на коже, по мере его испарения тело будет охлаждаться независимо от того, нужно это ему или нет. Поскольку шерсть отлично впитывает пот, на коже остается в лучшем случае ничтожное количество влаги. В результате испарений становится меньше, и наше тело не так быстро охлаждается.

Есть и третий согревающий эффект шерсти. По мере того как пот конденсируется в удерживающих воду волокнах шерсти, он из газообразного состояния (испарения) превращается в жидкость, отдавая тепло воды. Откуда оно берется? Когда вы разбиваете лед, чтобы сделать из него воду, или греете воду, чтобы превратить ее в пар, температура исходного вещества поднимается не линейно. Она какое-то время растет, а потом движется по горизонтальной прямой во время смены своего состояния – изо льда в воду и из воды в пар. Энергия, поглощаемая при таких фазовых переходах, называется латентной (скрытой) [297]и используется для изменения внутренней молекулярной структуры вещества, превращая твердую субстанцию (лед) в жидкость (при 0 °C), а жидкость – в газ (при 100 °C). Когда вы вновь охлаждаете пар, получая воду, или воду, получая лед, выделяется латентная энергия.

Эти три эффекта объясняют, почему шерсть согревает вас, когда вы потеете. Понимание этих простых научных истин поможет вам добиться максимального согревающего действия от вашей шерстяной верхней одежды и белья из тонкой шерсти мериносов. Предположим, вы выходите на улицу холодным и сырым днем и, естественно, хотите чувствовать себя в тепле. Если ваша шерстяная одежда будет сухой перед тем, как вы наденете ее, она сможет поглотить больше влаги из воздуха или от вашего тела и отдать вам больше тепловой энергии. Поэтому, если вы надеваете джемпер, который носили вчера, положите его на короткое время на батарею – не для того, чтобы согреть, а для того, чтобы полностью высушить перед встречей с влажным воздухом.

Чудеса шерсти

Когда вы разглядываете и прикасаетесь к шерстяным вещам в магазине или просматриваете каталог с ними онлайн, то меньше всего думаете о научных категориях, которые за ними стоят. Вас интересуют размер, стиль, покрой, цвет и всё такое. Да, шерстяная ткань мягкая и удобная. Но это вещество, подвластное законам физики. Мы изучаем и измеряем параметры шерсти, как и любого другого вещества. Что же мы можем сказать о ней в сравнении, скажем, с пластмассой или нержавеющей сталью?

Шерсть состоит из белковых волокон (кератина, имеющегося также в человеческих волосах и коже), длина которых разнится от 3 до 40 см, в зависимости от животного. Эти волокна состоят из более мелких и эластичных волокон. Наружный слой волокон шерсти – кутикула – составлен из трех слоев чешуек, которые перекрывают друг друга (под микроскопом они напоминают спину муравьеда). Эти ячейки способны плотно сцепляться между собой, и именно поэтому шерсть можно скатать в упругий войлок. Внутренняя часть волокна, называемая корковой, состоит из нитевидных структур цитоплазмы (макрофибрилл), которые содержат более мелкие белковые нити (микрофибриллы и протофибриллы). В центре коркового слоя находятся переплетенные цепочки упругих молекул белка кератина.

Эта «матрешечная» структура волокна шерсти, когда более мелкие волокна находятся внутри каждого последующего слоя, объясняет эластичность сухой шерсти: переплетенные волокна могут быть растянуты почти вдвое по сравнению с первоначальной длиной (или скручены до половины своей длины). Это впечатляющий результат, если учесть, что резина из натурального каучука может растягиваться всего в несколько раз до момента разрушения. Иногда шерсть кажется нам непрочной. Но причина в том, что мы привыкли считать ее мягкой и удобной. Доводилось ли вам рвать шерстяную пряжу голыми руками? Если вы изучите характеристики шерсти, то поймете, почему это так трудно. Предел упругости шерстяной пряжи (величина приложенной силы на растяжение, который материал выдерживает до начала пластической деформации) составляет около 10 % от предела упругости стали![298]Эластичность и упругость шерсти делают наши вещи такими износостойкими.

Шерсть отталкивает воду, но не всю. Она гигроскопична, потому что ее внутренние волокна разбухают от воды на манер губки, когда жидкость поступает в корковый слой. Обычно шерсть впитывает 15–20 % воды, иногда чуть больше. Мокрая шерсть, особенно горячая, становится скорее пластичной, чем эластичной. Свитер, постиранный в горячей воде, увеличивается в размерах на 10 % и не сразу возвращается в первоначальную форму. Обычно шерстяные вещи в горячей воде не стирают, потому что их волокна могут необратимо деформироваться. Именно поэтому свежевыстиранные шерстяные вещи, как правило, сушат, положив горизонтально. Высокая температура сама по себе не разрушает шерсть. Но волокна под ее действием слабеют, становятся ломкими и опаляются, как и человеческие волосы. Сама шерсть не горит и может даже считаться природным негорючим материалом. Если источник пламени от нее убрать, она сразу же погаснет. Совсем иначе ведут себя хлопок и лен, которые горят сами даже в отсутствие пламени. Не говоря уже о нейлоне, который очень опасен при возгорании.

Как оставаться сухим

Гидрокостюмы – прорезиненная одежда для плавания и ныряния, которую так любят сумасшедшие серферы и дайверы, – обеспечат вам что угодно, только не сухость. Даже если вы пройдетесь в них под дождем, то промокнете. Сквозь материал, из которого сделаны эти костюмы, – неопрен – воды просочится немного, но вас так «поджарит» изнутри, что скоро вы начнете сильно потеть. Зимние гидрокостюмы недаром называют «саунами». Простой шерстяной пуловер обеспечит вам бо льшую сухость, по крайней мере в моросящий дождь. В шерсти есть немного ланолина (животного воска), отталкивающего воду; чешуйки на наружной поверхности ее волокон плотно «сцепляются» между собой, добавляя шерсти водоотталкивающий эффект, в результате которого значительное количество воды скатится с вашего свитера, не проникнув внутрь. В обычном пуловере нити могут находиться друг от друга на приличном расстоянии. А в свитере плотной вязки они близко прилегают друг к другу и удивительно хорошо защищают от мелкого надоедливого дождя.

В ливень шерсть вас не защитит: здесь нужна водонепроницаемая одежда. Большинство таких вещей изготавливается из синтетических тканей (основу которых составляют пластические волокна) вроде нейлона. Они не пропускают воду, потому что их волокна микроскопически малы и прочно переплетены. В отличие от волокон шерсти, синтетические воду почти не впитывают. Капли остаются на поверхности и не проникают внутрь. Такие «бисеринки» легко стряхнуть, оставив поверхность практически сухой. Но у многих был очень неприятный опыт ношения нейлоновых ветровок и курток, которые на 100 % водонепроницаемы снаружи, но затапливают вас вашим же по том изнутри. Пережив пик популярности в 1970–1980-х, такие куртки и плащи сейчас уступили место «дышащим» материалам, например гортексу (Gore-Tex). «Дышащий» водонепроницаемый материал? Звучит парадоксально. Так оно и есть. Кроме того, из вышеприведенного определения можно вывести невозможность существования такого материала с учетом законов физики. Как может кусок ткани не допустить проникновения влаги внутрь, но выводить ее изнутри наружу?

▲ Водонепроницаемый дышащий материал. Гортекс содержит микроскопические отверстия, называемые микропорами, которые способны пропускать испарения тела наружу, не впуская влагу внутрь. Дождевые капли в тысячи раз больше этих микропор, а молекулы воды, содержащиеся в нашем поте, в сотни раз меньше их.

Всё объясняется физическим различием между дождевыми каплями и водяными молекулами в нашем поте (кожном дыхании). Большая капля дождя состоит из нескольких секстиллионов (10²¹) водяных молекул, плотно сцепленных друг с другом. В парах воды молекулы разъединены и существуют сами по себе. Иными словами, капля дождя неизмеримо больше отдельной молекулы воды. Водоотталкивающая и «дышащая» ткань вроде гортекса использует это различие. Как указывают ученые из корпорации W. L. Gore and Associates, их чудо-материал имеет мембраны с отверстиями в 700 раз больше диаметра молекулы воды (которые свободно проникают наружу) и в 20 000 раз меньше размера самой маленькой капли дождя (которая не может проникнуть внутрь)[299]. Именно поэтому такая ткань может одновременно и отталкивать воду, и «дышать». Разумеется, если процесс потоотделения идет очень интенсивно, какая-то часть молекул воды будет конденсироваться на поверхности кожи, не успев «выскользнуть» наружу. Даже в самых «дышащих» тканях тело может оставаться немного влажным. И эта влага забирает некоторое количество тепла. Тем не менее «дышащие» плащи и куртки обычно значительно теплее, чем их более дешевые собратья из нейлона. И всё потому, что внутри они, как правило, суше.

Как носить одежду долго

Когда вам было пять-шесть лет и вы после занятий стремглав летели в раздевалку, вряд ли вы сильно беспокоились о том, чтобы вам было тепло и сухо. Сейчас от одежды требуется больше. Она должна быть безопасна, комфортна и обеспечивать свободу движения. При этом предметы одежды должны оставаться надежными и функциональными. И они справляются с этой задачей.

В начале этой главы я сравнил одежду со зданиями. Интересно рассмотреть сходства между ними. Строительные материалы должны отвечать множеству практических требований: от обеспечения устойчивости строений и сопротивляемости ветру до удержания тепла внутри и защиты от влаги снаружи. Мы представляем себе здания как инженерные сооружения, хотя, по сути, это «одежда» для нашего дома. Они обеспечивают защиту, неприкосновенность личной жизни и чистоту. То же можно сказать и об одежде. И она подчиняется законам физики, как и наши дома.

Из главы 1 вы узнали, что дома стоят за счет компенсации своего веса на фундаменте. Кирпичи и балки сжимаются, и вес дома и его содержимого, давящий вниз, компенсируется силой реакции опоры, состоящей из атомов в почве и основании, которые выталкивают дом вверх. То же относится и к одежде. Вечернее платье и плащ, шелковое кимоно и джинсы имеют вес, как и дом. Но, если дом стоит на земле за счет сил сжатия, одежда держится на теле за счет сил натяжения.

Тяжелое подвенечное платье давит на плечи невесты так же, как канаты подвесного моста, держащие полотно, давят на пилоны. Большой вес платья распределяется с помощью сил натяжения в швах и отдельных волокнах примерно так же, как вес моста и всего транспорта на нем – между держащими мост металлическими канатами (или как вес велосипеда и ездока равномерно распределяется между спицами колес, как мы видели в главе 4). Подумайте о своих джинсах с такой точки зрения, и вы увидите их в совершенно новом свете. Широкий пояс держит на себе вес всей тяжелой ткани. Он создает главную линию натяжения в районе пояса, поэтому в хороших дорогих моделях для скрепления ткани используются прочные заклепки.

Вот это да! Наука вокруг поношенных джинсов

У меня есть друг, который стремится модно одеваться. Он рассказывал мне: чтобы придать колорит новым дорогим джинсам, он специально смачивает их водой и обрабатывает теркой для сыра. В результате они становятся «пикантно поношенными». Большинство из нас достигает того же самого годами носки, а он – буквально за несколько мгновений.

Нетрудно понять, почему потертости и даже дыры появляются на коленях джинсов и локтях свитеров. Когда я был ребенком и любил катать машинки по ковру, причина этого была яснее ясного. Прошло много лет, никаких машинок с коврами нет и в помине, а джинсы все равно истираются прежде всего на коленях. Почему? Каждый раз, когда вы встаете или садитесь, ткань трется о колени. Конечно, кожу никак нельзя отнести к абразивным материалам. Но, если присмотреться к этому явлению повнимательнее, сразу станет понятна суть проблемы. Ткань штанины резко перегибается и, если ваше колено согнуто, двигается под прямым углом. Здесь мы можем увидеть не столько штанину, сколько очень плохо работающий блок.

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 уто к, 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 бо льшие 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.

Эти соотношения силы и энергии объясняют, почему профессиональные бегуны используют шипованные кроссовки из тканых материалов. Если вам довелось носить их, вы наверняка помните, насколько они легки и непрочны. Однако, завязанные на ноге плотно, они справляются со своей задачей замечательно: благодаря их легкости вы тратите меньше энергии на передвижение, а шипы прекрасно отталкиваются от земли, сводя к минимуму трение и потери энергии и обеспечивая прекрасное ускорение. Обычные кроссовки для бега имеют вместо шипов гораздо более толстый амортизирующий слой, который защищает колени и спину от возможных травм во время бега и прыжков. Но такая массивная подошва прибавляет обуви вес и приводит к дополнительным затратам энергии. По мере того как ваши ноги опускаются на поверхность и поднимаются вновь, подошва кроссовок сжимается и распрямляется, забирая много энергии (как шина горного велосипеда) за счет большего трения качения.

Все предметы обуви рано или поздно изнашиваются – причем в двух основных местах. Иногда подошва протирается до дыр, хотя и не так быстро, как можно ожидать. И это понятно: «километраж» средней пары обуви не так уж и велик. Соответственно, не так уж велика и сила трения подошв вашей обуви о почву, как, например, и автошин. Обычно обувь приходит в негодность в результате либо возникновения трещин в районе носков, либо отслаивания подошвы. И это неудивительно. Это как раз те места, где материал, из которого изготовлена обувь, – кожа, пластик, ткань или резина – испытывает постоянное растяжение. Поэтому обувь «устает», совсем как металлические скрепки для бумаги. Следует отдать должное тому замечательному обстоятельству, что наша обувь может пройти миллионы циклов растяжений и сжатий перед разрушением. Для сравнения: металлическая скрепка для бумаги может выдержать всего несколько десятков таких воздействий.

Что еще почитать

В этом небольшом путешествии в науку в вашем доме я хотел показать, что это не набор затасканных старых фактов и формул (как часто преподают естественную науку в школе), а интереснейшие возможности по-новому взглянуть на окружающий мир. Взглянуть так, что казавшиеся странными вещи приобретают смысл и становятся на места. Мыслить научно – то же самое, что впервые надеть очки и удивиться тому, каким четким становится всё вокруг. Если эта книга вам понравилась, то, возможно вы захотите использовать и другие источники, адресованные не ученым, но способные помочь вам в постижении тех научных истин, которые окружают нас в повседневной жизни.

Сайт

«Объясняем всё» (Explain that Stuff) с Крисом Вудфордом. Мой образовательный сайт (explainthatstuff.com) раскрывает темы, затронутые в этой книге, более подробно. На сайте есть алфавитный указатель, по которому вы легко можете найти тему, которая интересует вас в плане самообразования или школьной программы.

Книги

Мюллер Р. А. Физика для будущих президентов. М.: Neoclassic: АСТ, 2011. Поднимает научные темы, имеющие отношение к выживанию человечества, в том числе вопросы об имеющихся на Земле запасах энергии, изменениях климата и терроризме.

Маккей Д. Как обеспечить нас энергией без горячего воздуха (MacKay D. Sustainable Energy Without the Hot Air. UIT Cambridge, 2009). Как человечество может генерировать столько энергии, сколько требуют наши растущие потребности, и не разрушить планету? Маккей приводит интересные логические рассуждения, понятные расчеты и научные данные, понятные любому окончившему школу человеку, чтобы прийти ко всем понятным заключениям. Полный текст книги есть также на сайте withouthotair.com.

Терри Н. Энергия и выбросы углерода: Как нам сегодня жить (Terry N. Energy and Carbon Emissions: The Way We Live Today. UIT Cambridge, 2011). Что требует больше энергии: принятие душа или ванны? Чем лучше отапливать дом: природным газом или электричеством? Эта полезная книга дает ответы на спорные вопросы о нашей жизни при помощи занимательных фактов и цифр.

Гордон Дж. Почему мы не проваливаемся сквозь пол. М.: Мир, 1971. Отличный источник информации о том, как простые повседневные материалы вроде дерева и стекла держат на себе весь мир. Другая книга Джеймса Гордона «Конструкции» (М.: Книга по требованию, 2012) тоже заслуживает внимания.

Леви М., Сальвадори М. Почему здания падают (Levy M., Salvadori M. Why Buildings Fall Down. W. W. Norton, 2002). Сборник интересных случаев и историй о разрушениях различных сооружений: небоскребов, стадионов, мостов – из-за проблем с подбором материалов и ошибок проектирования.

Фейнман Р . Дюжина лекций: шесть попроще и шесть посложнее. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010. Фейнман, один из величайших физиков планеты, был и одним из самых одаренных преподавателей физики. Эта небольшая книга – простое и понятное введение в такие фундаментальные понятия, как атом, энергия и гравитация. Но в книге, конечно, не хватает той страсти, которая присутствовала в лекциях Фейнмана.

Гамов Г. Приключения мистера Томпкинса. М.: Бюро «Квантум», 1993. Что произойдет, если люди уменьшатся до размера атома? Увлекательное введение в ключевые идеи атомной физики, написанное в 1940-х, но ценное и сейчас.

Клегг Б. Физика в самолете: Путеводитель по нашему миру из окна самолета (Klegg B. Inflight Science: A Guide to the World from Your Airplane Window. Icon Books, 2011). Увлекательное путешествие в физику в самолетном кресле. Очень четко объяснены многие явления, с которыми вы встретитесь в полете.

Чандрасекар Б. С. Почему вещи такие, какие они есть (Chandrasekhar B. S. Why Things Are the Way They Are. Cambridge University Press, 1997). Эта книга несколько сложнее вышеупомянутых, но в ней представлен очень ясный взгляд на физику твердого тела и показаны «изнутри» многие явления, например магнетизм и зеркальные отражения.

Благодарности

Я горячо благодарю всех людей, без которых эта книга не состоялась бы.

Джима Мартина, поборника научно-популярного жанра, создавшего серию Sigma и пригласившего меня поучаствовать в ней. Спасибо всем в издательстве Bloomsbury, кто помог мне с подготовкой этой книги и ее продвижением.

Доктора Джона Вудкока за помощь в ракетной теме и другие ценные советы, которые помогли улучшить эту книгу.

Эндрю Лоуни, моего неизменно замечательного литературного агента, без которого эта книга никогда не была бы завершена, а тем более издана.

Об авторе

Первую свою авторскую статью в национальном журнале Крис Вудфорд опубликовал в 13 лет. И с тех пор он много писал о науке и технологиях. Получив диплом Кембриджского университета, где он специализировался на физике и нейробиологии, он выучился на копирайтера в рекламной отрасли. Быстро убедившись в том, что спам и пакеты чипсов не особо меняют мир к лучшему, следующие 10 лет он участвовал в кампаниях по охране окружающей среды. Потом он увлекся образовательной литературой, написал множество научно-популярных книг, включая мировой бестселлер – серию «Крутые штуки» (Cool Stuff).

Крис также ведет образовательный сайт «Объясняем всё» (Explain that Stuff), где раскрывает тайны повседневной науки для полумиллиона читателей в месяц. Сейчас он живет в Дорсете, у моря, в компании овец.

Примечания

Ниже приведены примечания и ссылки, которые соответствующими цифрами обозначены в тексте. Это краткий вариант. Полный, включая отсылки к различным сайтам, можно найти по адресу chriswoodford.com/atoms.html.

[1]Флэш Гордон – вымышленный персонаж одноименного научно-фантастического комикса, впервые появившийся в «Стрипе» 7 января 1934 года. Создан художником Алексом Рэймондом. Позже о данном персонаже на основе комиксовых историй был создан ряд теле– и мультсериалов, полнометражных фильмов и мультфильмов, романов, радиоспектаклей и компьютерных игр. Прим. перев.

[2]Детали биографии Эйнштейна я позаимствовал из широко известной и популярной биографии ученого: Айзексон У . Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная. М.: АСТ, Corpus, 2015. В ней описаны и уход Эйнштейна из старшей средней школы, и провал на экзаменах в политехнический колледж, и попытки трудоустройства.

[3]Статистика приведена здесь по результатам опросов, проведенных и в США, и в Великобритании. Источники – на моем сайте.

[4]Данные по поводу высотного здания взяты с официального сайта Эмпайр-стейт-билдинг 29 октября 2013 года. 340 000 т – это 340 млн кг, что равно общей массе 4,5 млн людей со средней массой 7 кг. Это всё население Калькутты (по данным Википедии) на 2011 год.

[5]Более точно – 412 500 паскалей (Па).

[6]Это примерно 4 млн Па.

[7]Hayes L. et al. The Latest from Paris: An All-Plastic House // Popular Mechanics. 1956. August. Р. 89.

[8]Hay D. What Does a House Weigh? Some Mental Heavy Lifting // Seattle Times. 2004. December 19. Ссылка – на моем сайте.

[9]Если вам интересно, почему вообще происходит движение, стоит вспомнить о действии и противодействии. Если вы стреляете из ружья, то действие – сила, толкающая пулю вперед. Противодействие – отдача, толкающая ружье в противоположном направлении. Действие двигает пулю, противодействие – само ружье.

[10]Для каждого строительного материала существует показатель, называемый модулем Юнга (Е), который показывает, насколько материал прочен или упруг. Он рассчитывается путем деления давления на поверхность материала (силы, которую вы прикладываете к единице площади) на удлинение материала (насколько длиннее он становится по сравнению с первоначальным состоянием). В качестве примера я взял прочный строительный бетон, из которого состоит примерно десятая часть офисного здания, где я работаю. Я также сделал допущение, что все люди, находящиеся в нем, стоят на крыше здания, оказывая равномерное давление на него по всей его