А что, если?.. Научные ответы на абсурдные гипотетические вопросы - Рэндалл Манро

ОТВЕТ: Нет.

Исходная идея логична. Температура – это просто кинетическая энергия. Когда вы помешиваете чай, вы повышаете его кинетическую энергию, которая должна быть на что-то потрачена. Поскольку чай не делает ничего увлекательного: не поднимается в воздух и не начинает излучать свет, энергия должна обращаться в тепло.

Я что – неправильно завариваю чай?

Вы не замечаете этого тепла по той причине, что добавляете его очень мало. Требуется очень много энергии, чтобы сильно нагреть воду, поскольку ее теплоемкость выше, чем у всех остальных привычных нам веществ[155].

Если вы хотите за пару минут довести воду комнатной температуры практически до кипения, вам потребуется большая мощность[156]:

Наша формула показывает, что, если мы разогреваем чашку воды за две минуты, нам нужен источник питания мощностью в 700 Вт. Обычная микроволновка потребляет 700–1100 Вт, и ей требуется где-то две минуты, чтобы нагреть кружку воды и заварить чай. Здорово, когда все получается!

Феликс Баумгартнер, британская версия

Нагревание чашки воды в микроволновке за две минуты при мощности в 700 Вт означает, что воде досталось очень много энергии. Когда вода падает с вершины Ниагарского водопада, она приобретает кинетическую энергию, которая уже у подножия водопада обращается в тепло. Но даже после падения с такой высоты вода нагревается только на долю градуса[157]. Чтобы вскипятить чашку воды, ее нужно уронить из точки, находящейся выше границы атмосферы.

Что общего у помешивания и работы микроволновки?

Судя по цифрам, которые я взял из инженерных отчетов по разработке промышленных миксеров, можно сказать, что энергичное помешивание чая нагревает его примерно на уровне одной стотысячной ватта. Это число, которым можно пренебречь.

На самом деле физический эффект перемешивания довольно сложен. Большая часть тепла покидает чашку благодаря конвекции воздуха, которая происходит над поверхностью жидкости, так что чай остывает сверху вниз. Помешивание поднимает горячую воду со дна чашки на поверхность, что дополнительно ускоряет этот процесс. Но происходят и другие явление – перемешивание повлияет и на воздух, который нагреет стенки чашки. Без точных измерений сложно сказать, что именно произойдет.

К счастью, у нас есть Интернет. Пользователь сети Stack Exchange под ником drhodes измерил скорость остывания чашки, сравнив ситуации, когда чай помешивают, когда его не помешивают и когда ложку периодически окунают в чашку и тут же вынимают из нее. Также Drhodes любезно выложил графики в хорошем разрешении плюс необработанные данные – о многих статьях в научных журналах такого не скажешь.

Вывод: не имеет особого значения, помешиваете ли вы чай, просто окунаете в него ложку или вообще ничего не делаете – чай остывает примерно с одинаковой скоростью (хотя в ситуации, когда в него окунали ложку, он остыл чуточку быстрее).

И тут мы возвращаемся к изначальному вопросу: можно ли вскипятить чай, если очень интенсивно его помешать?

Нет.

Первая проблема – это мощность. Необходимая мощность, 700 Вт, равна примерно одной лошадиной силе, так что если хотите вскипятить чай за две минуты, вам потребуется как минимум одна лошадь, которая его будет помешивать.

Можно обойтись и меньшей мощностью, если вы готовы разогревать чай очень долго, но если это время растянуть слишком сильно, чай будет остывать с той же скоростью, с которой вы его нагреваете.

Даже если бы вы смогли помешивать его с достаточной скоростью – 10 000 помешиваний в секунду, – в дело вступят законы гидродинамики. На таких скоростях движения жидкости начнется кавитация – вдоль пути ложки будет образовываться вакуум, и помешивание станет неэффективным.

И если вы помешиваете чай столь интенсивно, что происходит кавитация, площадь его поверхности начнет стремительно расширяться, после чего он за несколько секунд остынет до комнатной температуры.

Как бы сильно вы ни помешивали чай, теплее он не станет.

Все молнии мира

ВОПРОС: А что, если бы все молнии, которые случаются во всем мире за день, ударили в одно и то же место? Что бы случилось с этим местом?

ОТВЕТ: Говорят, молния не ударяет в одно и то же место дважды.

Так вот, это неправда. С точки зрения эволюции удивительно, что эта поговорка продолжает восприниматься на веру: логично предположить, что все, кто в это верили, постепенно были отфильтрованы из человеческой популяции.

Так работает эволюция, да?

Мои читатели часто интересуются, можно ли получать электричество из молний. На первый взгляд, это логично: в конце концов, молнии – это и есть электричество[158], и у разряда молнии действительно немалая мощность. Проблема в том, что не так-то просто заставить молнию ударить именно туда, куда вам нужно[159].

Типичный удар молнии имеет мощность, достаточную для того, чтобы в течение пары дней обеспечивать жилой дом электричеством. Это значит, что даже небоскреб Эмпайр-стейт-билдинг, в который молнии бьют где-то 100 раз в год, не сможет обеспечивать себя энергией исключительно за счет небесного электричества.

Даже в тех районах Земли, где молния наблюдается особенно часто, например во Флориде или Восточном Конго, энергия, которую земля получает от солнечного света, в миллион раз превышает энергию, получаемую от молний. Вырабатывать электричество из молний – это все равно, что построить ветряк, работающий на торнадо: это будет совершенно непрактично[160].

Но в сценарии Тревора все молнии мира бьют в одно и то же место. Это делает молниевую энергетику куда более перспективной!

Предположим, что определение «в одно и то же место» значит, что молнии бьют параллельно одна другой.

Лидер молнии, несущий в себе заряд, имеет диаметр в 1–2 см. Наш пучок содержит примерно миллион отдельных молний, так что общий диаметр пучка составит где-то 6 м.

Авторы научно-популярной литературы любят сравнивать чуть ли не все физические явления с мощностью бомбы, сброшенной на Хиросиму[161], так что давайте тоже пойдем по этому пути.

Мощность молнии составит примерно две бомбы. С практической точки зрения этой энергии достаточно, чтобы несколько миллионов лет питать плазменный телевизор и игровую приставку. Или, иначе говоря, чтобы удовлетворить энергетические запросы США… на пять минут.

Сам разряд будет иметь диаметр не больше центрального круга на баскетбольной площадке, но оставит воронку размером с целую площадку.

Внутри пучка молний воздух превратится в заряженную плазму. Свет и жар от разряда немедленно подожгут почву на несколько миль вокруг. Ударная волна повалит деревья и снесет здания. Так что можно сказать, что сравнение с Хиросимой вполне оправдано.

Можем ли мы себя от всего этого защитить?

До сих пор ведутся споры по поводу механизма, благодаря которому работает громоотвод. Кое-кто считает, что это приспособление буквально «отгоняет» молнии, излучая заряд из земли в воздух, снижая таким образом перепад напряжения между облаком и землей и вероятность удара молнии. На данный момент Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) не поддерживает эту идею. Не знаю, что бы сказали в NFPA по поводу гигантской молнии Тревора, но громоотвод от нее все равно не спасет. Теоретически такой разряд мог бы пройти по медному штырю толщиной в метр и не расплавить его. К сожалению, когда разряд достигнет нижнего конца проводника, выяснится, что у почвы не такая хорошая проводимость, и взрыв расплавленного грунта в любом случае уничтожит ваш дом[162].

Собрать молнии со всего мира в одном месте, очевидно, невозможно. Но как насчет всех молний какой-нибудь одной местности?

На Земле нет места, где молнии били бы постоянно, но в Венесуэле имеется область, в которой они бьют почти постоянно. Вблизи юго-западного берега озера Маракайбо наблюдается удивительный феномен: постоянные ночные грозы. В дву зонах, над озером и над его западным берегом, где грозы формируются практически каждую ночь. Во время этих гроз молнии могут вспыхивать раз в две секунды, и потому озеро Маракайбо – грозовая столица мира.