Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Взвесимся

Вы энергичный спортивный человек – любитель бегать по лестницам или предпочитаете бочком проскальзывать в лифт (на эскалатор) и подниматься вверх на них? Чем вы упитаннее, тем ниже вероятность того, что вы захотите скакать по ступенькам. Большинство людей приписывают такое поведение исключительно лени, но на самом деле в его основе лежит серьезное и убедительное научное обоснование. Представьте себе двух инженеров – Энди и Боба, которые должны исправить вышедший из строя мотор лифта на Эмпайр-стейт-билдинг в небе над Манхэттеном. Энди – 95-кг здоровяк, а его помощник Боб – 65-кг жилистый спортивный человек. Поскольку лифт вышел из строя, подняться на небоскреб они могут только по ступеням лестницы, а их ужасно много: 1870… 1871… 1872.

Инстинктивно каждый понимает, что подниматься по лестнице – очень тяжелая работа. Чем выше вы забираетесь, тем больше энергии затрачиваете для преодоления притяжения Земли. Менее очевидно то, что более тяжелые люди должны совершать больше работы, чем стройные. Чем больше ваше тело и его масса, тем больше энергии нужно, чтобы передвигать ее вверх. Почему это меньше бросается в глаза? Потому что не каждому приходится проводить такой эксперимент: брать на плечи какой-то вес, подниматься с ним на какую-то высоту, затем через 10 минут брать другой и делать то же самое, а потом сравнивать ощущения.

Но различия в ощущениях, несомненно, есть, и очень значительные. Если вы потаскаете пакеты с покупками из супермаркета по лестнице, то быстро всё поймете.

Насколько больше энергии использует Энди, чтобы подняться на небоскреб? Эту задачу из программы средней школы можно решить одним росчерком ручки. К нашему удивлению, ответ будет 120 килоджоулей[18] (кДж), а решение мы поясним ниже. Это примерно столько же, сколько вы израсходуете на то, чтобы вскипятить воду на кружку кофе. Это дополнительное количество работы, которую должен совершить Энди только потому, что он тяжелее Боба. Когда они наконец достигают верха здания, обессиленные и молящие Бога о помощи, Энди лезет в свой ящик с инструментами в поисках упаковки печенья с шоколадной глазурью. «Я это заработал», – говорит он, широко улыбаясь и засовывая две печенюшки в рот. Остаток пачки он перебрасывает Бобу. Коллега Энди, внимательно всмотревшись в маленькие буковки на упаковке, вежливо отказывается: два печенья содержат 108 килокалорий (450 кДж). Теоретически, если бы вся энергия печенья была полностью использована на то, чтобы поднять тело Энди по лестнице (100 % этой энергии было бы преобразовано в то, что мы называем энергией механической), этого было бы более чем достаточно на подъем, который они только что совершили. «В следующий раз, – тихо бормочет Боб себе под нос, – Энди будет еще тяжелее подняться вверх»[19].

Что же такое энергия?

В чем-то мы понимаем энергию, а в чем-то нет. Мы все знаем, что энергия – невидимое топливо, которое приводит в движение всю нашу жизнь. Мы знаем, что должны залить бензин в автомобиль, чтобы он двигался. Мы знаем, что должны поесть два-три раза в сутки, чтобы шли наши внутренние часы. И мы знаем, что должны оплачивать счета за газ, если хотим иметь горячий душ и уютный теплый дом. Но многие ли из нас могут точно сказать, какое количество электричества они использовали вчера (дома, на работе или в школе), сколько энергии ежегодно потребляют такие большие города, как Нью-Йорк или Нью-Дели, или сколько электростанций мы должны построить в следующем десятилетии, чтобы не лишиться света? В общих чертах несложно понять, что такое энергия. Мы хорошо понимаем ее качественно, однако нам сложно оценить ее количественно. Именно поэтому нас так раздражают счета за газ и мы так волнуемся о том, что мир постоянно балансирует на грани энергетического кризиса (возможно, не в последнюю очередь объясняющегося и нашим поведением). Ведь мы всё больше тучнеем и потребляем в форме пищи гораздо больше энергии, чем необходимо, а в итоге сами подвергаем себя риску. Измерение энергии – важный источник знаний о ней и о том, как она движет миром. Об этом мы и поговорим ниже.

Люди твердят, что нельзя управлять тем, что вы не можете измерить. То же относится и к науке, но с небольшим нюансом. Здесь это звучит так: «Вы не способны познать то, что не можете измерить». Самый верный путь к познанию научных явлений, в том числе энергии, – начать «приделывать» им числа. Мы можем сравнить количество энергии, которое используем для повседневных нужд, с тем количеством, которое можем генерировать различными способами. Забираясь на Эмпайр-стейт-билдинг, мы тратим больше энергии, чем на съедение печенюшки наверху? Кажется, что нет (а на самом деле да). Можем ли мы произвести с помощью одного ветряного двигателя достаточно энергии для целого поселка? Да. Если мы подсоединим велосипедную динамо-машину к чайнику и будем, как сумасшедшие, крутить педали, сколько нам потребуется времени, чтобы вскипятить миску воды? Ответ – 21 час, а профессиональный велосипедист, вращающий хороший электрический генератор, мог бы справиться с этим за четверть часа[20].

Ученые измеряют энергию в единицах, которые называются джоулями, по имени известного английского физика Джеймса Джоуля, жившего в XIX веке и осуществившего первые эксперименты по измерению энергии (которую он любил называть vis viva, в переводе с латыни «живая сила»)[21]. В науке 1 джоуль – единица измерения энергии, но чему он равен? Как он выглядит и как его ощутить? Выше мы уже видели: чтобы вскипятить кружку воды, нужно 120 килоджоулей (120 000 джоулей). Так что один джоуль – не слишком впечатляющая величина. Возьмите апельсин, который весит приблизительно 100 г, и поднимите его на 1 м. При этом вы затратите примерно 1 Дж энергии. Немного, правда? Но посмотрим на это с другой стороны. Кипячение кружки воды требует 120 000 Дж. Это то же самое, как поднять 120 000 апельсинов (12 т) на высоту 1 м. Или забросить один апельсин на 120 км в высоту (это в 14 раз выше горы Эверест). Вот теперь впечатляет.

В принципе несложно теоретически подсчитать количество энергии, которое нужно нам в повседневной жизни: от езды на велосипеде до участия в марафонском забеге (табл. 2). Это «расходная» часть энергетического бюджета. Достаточно легко посчитать, сколько энергии содержится в одном шоколадном печенье, автомобильном аккумуляторе или куске угля, и понять, как ее использовать. Это другая, «доходная» часть энергетического бюджета. Благодаря трудам Джеймса Джоуля мы знаем, что энергетический бюджет в природе всегда сходится: количество энергии в «доходной» части точно соответствует количеству в части «расходной».

Таблица 2. Сравнение энергии. Чтобы почувствовать, что такое энергия, можно сравнить наши потребности в ней на разные нужды с возможностями ее генерации разными способами. Ниже мы сравниваем способы производства энергии (курсив) с путями ее применения (обычный шрифт). Для каждого пункта таблицы я высчитал показатель задействованной в нем энергии в джоулях (с этой единицей многие на практике не знакомы), киловатт-часах (единицы, по сумме которых нам выставляют счета электрические и газовые компании) и «восхождениях на Эмпайр-стейт-билдинг» – минимальном количестве энергии, которое потребуется среднему 75-кг мужчине для подъема на верх небоскреба по лестницам[22]. Из таблицы видно, что разряд молнии содержит столько же энергии, сколько нужно для 17 000 восхождений на Эмпайр-стейт-билдинг, а час плавания забирает столько же энергии, сколько семь таких восхождений

Что такое энергия?

Представлять себе различные количества энергии, конечно, интересно, но не всегда полезно. Скажем, если восхождение на Эмпайр-стейт-билдинг и потребует от вас некоторого количества энергии, важнее то, сколько времени это займет. Вообразите себе, что подниматься вы будете за щедро отведенные вам восемь часов, постоянно останавливаясь, чтобы полюбоваться открывающимися видами. Это значит, что вы будете продвигаться вверх на четыре ступени в минуту. Занятие, конечно, скучное, но не станет слишком большой нагрузкой для вашего организма. Поставьте перед собой гораздо более амбициозную цель: добраться до верха небоскреба за полчаса. Тогда вам придется, задыхаясь, двигаться со скоростью ступень в секунду, что, конечно, не в пример труднее. Так что, когда речь идет об использовании или генерации энергии, очень важна продолжительность соответствующих действий.

Решить эту проблему мы можем, введя понятие мощности, которое отражает показатель использования или производства энергии (количество энергии, деленное на время, необходимое для ее использования или генерации). Как и в случае с самой энергией, мы можем лучше представить себе мощность, измерив ее. Это мы делаем с помощью показателя Дж/с, или ватт (Вт). 100-ваттная лампочка потребляет 100 Дж энергии в секунду. Если Энди пробежится до верха Эмпайр-стейт-билдинг за полчаса (и не свалится от остановки сердца), то он разовьет среднюю мощность порядка 200 Вт[23].