Текст книги "Изобретения Дедала"

Автор книги: Дэвид Джоунс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 22 страниц)

Креслодин

Побывав как-то на нескончаемо длинной и скучной научной лекции и вдоволь настрадавшись от долгого сидения в неудобном современном кресле, Дедал приступил к разработке динамической теории комфорта, которая, по его мнению, призвана произвести революцию в области конструирования мебели. Как считает Дедал, человек, сидя долго даже на самом удобном стуле, утомляется из-за длительного однообразия ощущений. Нервы и мускулы требуют разнообразия, а статическая нагрузка, как бы равномерно она ни была распределена, не может долго создавать ощущение комфорта. Ерзая на стуле, мы пытаемся разнообразить нагрузки – но безуспешно. Поэтому Дедал разрабатывает динамическое кресло, сиденье, спинка и подлокотники которого состоят из большого числа независимых элементов, совершающих медленные нерегулярные движения, что разнообразит нагрузки на соприкасающиеся с креслом части тела. Изменяется даже фактура сиденья, ибо оно изготовлено из большого числа тонких трубочек, покрытых различными материалами и периодически накачиваемых воздухом. Наконец-то удастся совместить достойную позу и комфорт!

Фирма КОШМАР рассчитывает на большой сбыт своей новинки школам, конференц-залам, авиакомпаниям под лозунгом «креслодин – стул, который ерзает за вас». Аналогичным образом можно обеспечить комфорт и другим частям человеческого тела. Как известно, солдатам часто приходится стоять по стойке смирно довольно длительное время. Специально для них фирма КОШМАР разработала модель сапог с автоматически изменяющейся высотой каблука, в которых ноги избавлены от длительного действия статической нагрузки и хорошо отдыхают. Нижнее белье, сконструированное по такому принципу, спасет человека от ощущения зуда и неудобства при продолжительном сидении в напряженной позе, скажем, во время деловых бесед или в парикмахерской. А человек, спящий на кровати фирмы КОШМАР, не будет совершать во сне беспорядочных движений, а погрузится в глубокий безмятежный сон.

New Scientist, December 16, 1971

Комментарий Дедала

В очередной раз фирма КОШМАР выступила с идеей, которой позднее воспользовались другие. Различные конструкции динамических кроватей были впоследствии разработаны и запатентованы (немало таких конструкций описано в колонке «Рудименты мудрости» журнала Observer Magazine, May 4, 1975). А в печатном издании фирмы «Дюпон» Elastomers Notebook за декабрь 1978 г. об использовании эластичного полиэфирного материала «хайтрел» говорится следующее:

Пульсирующее сиденье уменьшает усталость водителей, обеспечивая нормальную циркуляцию крови в ягодицах и ногах. Подушка «Пульсейр», разработанная фирмой «Г. Кох эид саис» для летчиков ВВС США, была продемонстрирована в школе космической медицины ВВС в Бруксе. Недавно эту подушку стали использовать водители грузовиков. Подушка представляет собой тонкую оболочку из полиэфирного эластомера «хайтрел» фирмы «Дюпон», внутри которой имеется множество воздушных камер, наполняемых воздухом в течение 2 с с интервалом 6 с. Этим создается едва ощутимое волнообразное движение, которое мягко массирует мускулы и стимулирует кровообращение. При помощи реле времени подушка приводится в действие на 10 мин каждый час.

Американцы скопировали даже пневматический механизм моего креслоднна.

Но фирма КОШМАР, как всегда, шагает впереди. Я пришел к выводу, что произвольная стимуляция недостаточна и что в динамическом кресле следует использовать принцип обратной связи. В кресле необходимо установить датчики, регистрирующие локальное подрагивание мускулов, которое свидетельствует об их утомлении. Тогда кресло начинает трансформироваться в поисках такой конфигурации, при которой подрагивание мускулов прекращается. Такое кресло поистине ерзает за вас.

Антипарник

До сих пор все попытки использовать солнечную энергию основывались на улавливании солнечных лучей. Дедал считает этот подход естественным, но довольно наивным. Для получения энергии требуется не только тепло, но и холод: в энергию преобразуется поток тепла, идущий от горячего тела к холодному. Поэтому во всяком тепловом двигателе можно найти не только «котел», но и «холодильник».

Хорошо известно, что кпд теплового двигателя зависит от разности температур между нагревателем и холодильником. Поэтому Дедал подыскивает хороший холодильник для солнечного теплового двигателя. Лучшим холодильником, конечно, является ночное небо: оно абсолютно черное и его радиационная температура близка к абсолютному нулю. Дедал планирует поместить конденсатор теплового двигателя в фокусе большого вогнутого зеркала, чтобы ночью в нем «собирался» весь холод ночного неба. Если изолировать конденсатор от воздуха вакуумной теплоизоляцией, прозрачной для тепловых лучей, то за счет радиационного охлаждения его температура может опуститься почти до абсолютного нуля. Такой холодильник можно использовать для сжижения воздуха и в качестве конденсатора теплового двигателя, нагреватель которого имеет нормальную температуру приземного слоя атмосферы. В такой конструкции не нужна ни сложная оптика, обычно используемая в гелиоустановках, ни следящая система, поскольку даже не слишком правильное вогнутое зеркало будет отражать ночное небо на охлаждаемый объект. В этой установке нагревателем служит сама Земля, а Солнце только греет Землю.

А чтобы эта система могла функционировать днем, Дедал изобрел еще антипарник. Это камера, изготовленная из черного полиэтилена или, скажем, из теллурида кадмия. Названные вещества непрозрачны для излучения видимого диапазона спектра, но пропускают длинноволновую радиацию, испускаемую объектами при нормальной земной температуре. Такой антипарник не пропускает внутрь солнечные лучи, но выпускает наружу тепловое излучение; в результате помещенные в него объекты охлаждаются. Радиационная температура дневного неба также низка, поэтому объект, помещенный в антипарник, будет охлаждаться и днем, и ночью, т. е. холод в антипарнике будет вырабатываться постоянно.

New Scientist, March 3, 1966

Комментарий Дедала

Простейшим, вариантом антипарника, по-видимому, является естественная глубокая выемка в скальной породе, где собирается утренняя роса. В ясные ночи скала излучает тепло в холодное небо. Окружающий воздух при этом охлаждается и отдает свою влагу. Моя идея с зеркалом основана на том же принципе. Точно так же, как параболическое зеркало, направляя солнечные лучи со всех сторон на объект, раскаляет его докрасна, большое зеркало может «собрать» на объекте холод всего ночного неба. Требования к подобной оптической системе гораздо ниже, чем к гелиоконцентратору, а в применении к тепловому двигателю она может оказаться значительно более эффективной. Согласно теореме Карно, максимальный кпд любого теплового двигателя η = (T_нагр – T_хол)/T_нагр, где T_нагр и T_хол – абсолютные температуры соответственно нагревателя и холодильника. Ясно, что гораздо проще приблизить кпд к единице, уменьшая температуру холодильника, чем увеличивая температуру нагревателя. Для достижения кпд = 50% в обычном двигателе на солнечной энергии, холодильник которого имеет температуру окружающего воздуха (300 К), необходимо довести температуру нагревателя до 600 К. Если же температура нагревателя равна 300 К, то такой же кпд получается при температуре холодильника 150 К, т. е. при вдвое меньшей разности температур.

Естественным развитием идеи является антипарник, в котором используются не зеркала, а фильтры, отражающие солнечные лучи, но пропускающие длинноволновое излучение. При хорошем подборе спектральных характеристик фильтров объект, помещенный в антипарник, будет охлаждаться не только ночью, но и днем. За время, прошедшее после опубликования моей заметки, антипарник действительно был построен и испытан (Applied Energy, 3, 1978, p. 267). Б. Бартоли и его сотрудники из университета в Неаполе разработали фильтры, намного превосходящие по своим характеристикам предложенные мной фильтры из теллурида кадмия. Они использовали полированный алюминий с тедларовым покрытием, прозрачным для видимого света и непрозрачным в инфракрасном «окне» атмосферы (8–13 мкм). Падая на пластину, солнечные лучи отражаются от поверхности металла, не нагревая его. Пластина охлаждается, излучая в пространство тепло. Опытные образцы таких пластин днем и ночью имели температуру на 10 °C ниже температуры окружающего воздуха – и это не предел. В принципе, комбинируя соответствующим образом зеркала и фильтры, можно охладить объект до температуры фонового космического излучения (3К). Я с нетерпением ожидаю сообщений о дальнейшем развитии событий.

Гальванизированные растения

В конечном счете вся жизнь на Земле зависит от процесса фотосинтеза, происходящего в зеленых растениях; поэтому весьма огорчительно, что эффективность этого процесса составляет всего несколько процентов. Дедал отмечает, что скорость роста растений существенно ограничена медленным током питательных веществ в их тканях. Если бы удалось ускорить движение соков, переносящих питательные вещества от корней к листьям, то и все процессы жизнедеятельности растений протекали бы быстрее. Для этого Дедал намерен использовать явление электроосмоса – движение жидкости сквозь пористую среду под действием электрического поля. По расчетам Дедала, вертикально направленное электрическое поле напряженностью несколько киловольт на метр способно удвоить скорость движения соков в растениях. Для создания такой напряженности поля над травинкой потребуется напряжение в несколько сотен вольт, над колосом – несколько киловольт, над высоким деревом – сотни киловольт. Благодаря высокому электрическому сопротивлению растительных тканей ток утечки будет очень мал и потребляемая мощность составит всего несколько ватт. Ботаники фирмы КОШМАР устанавливают высоковольтные генераторы, питающиеся энергией ветра, на макушках сосен и натягивают над нивами паутину проводов (одновременно она может служить защитой от птиц). Это произведет революцию в сельском хозяйстве. Хлеба будут созревать в считанные недели, деревья вымахают за год в полный рост, и вообще наступит новая эра растительного изобилия. Электрифицированными растениями будет очень легко управлять. Уменьшая напряжение, мы замедлим их рост; если изменить полярность напряжения, то рост остановится и растение как бы заснет; при достаточно высоком напряжении обратной полярности соки потекут вспять и растение погибнет. Очистить заросший сорняками участок можно будет, набросив на него металлическую сетку и подключив ее к источнику высокого напряжения, что позволит обойтись без применения химии. Используя электрифицированную сетку, мы сможем придавать живым изгородям любую желаемую форму, создавать настоящие зеленые скульптуры. А электрическая «газонорастилка» фирмы КОШМАР, представляющая собой просто металлический лист с отверстиями, который перемещают в нескольких сантиметрах над землей, обеспечит нам идеальный газон, покрытый травниками абсолютно одинаковой высоты.

New Scientist, January 15, 1981

Электрический садовник: фигурная сетка, находящаяся под напряжением, останавливает рост побегов, как только они касаются ее, придавая растению заранее заданную форму.

Из записной книжки Дедала

Соки поднимаются по стеблю растений вверх под действием осмотического давления, которое должно быть как минимум равно гидростатическому давлению (составляющему 1 атм на каждые 10 м высоты растения, илн 10⁴ Н/м² на метр). Чтобы заметно влиять на скорость движения соков, электроосмотическое давление должно иметь по крайней мере такой же порядок величины. Какое для этого потребуется напряжение?

Давление р Н/м², создаваемое разностью потенциалов V В в жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью ε, заключенной в пористых капиллярах радиусом r, и при контактной разности потенциалов между жидкостью и пористой средой ξ В равно р = 8Vξεε_{/r², где ε = 8,85×10^-12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума. Таким образом в растении с капиллярами радиусом 10 мкм (r = 10^-5 м), заполненными жидкостью с ε = 81, и при ξ = 0,05 В электроосмическое давление величиной 10⁴ Н/м² будет развиваться при напряжении V = pr²/8ξεε = 10⁴×10^-10 (8× 0,05 × 81 × 8,85×10^-12) = 3500 В = 3,5 кВ.}

Следовательно, для заметного ускорения движения соков в растениях понадобится разность потенциалов в 3,5 кВ на каждый метр высоты растения. Какая при этом потребуется мощность?

Удельное электрическое сопротивление сухой древесины составляет 10⁸–10¹¹ Ом•м; сопротивление живой растительной ткани, конечно, меньше: допустим, 10⁶ Ом•м. Тогда сопротивление ствола дерева радиусом 5 см равно R = 10⁶/(π×0,05²) = 1,3×10⁸ Ом на метр длины. При разности потенциалов Е = 3,5 кВ на этом сопротивлении рассеивается мощность Р = E²/R = 0,1 Вт (т. е. на дереве высотой 10 м рассеивается мощность 1 Вт). Величина тока составит E/R = 30 мкА. Мощности, рассеиваемые на мелких растениях, будут вообще мизерны: колос сечением 1 мм² будет потреблять мощность 13 мкВт на метр высоты при токе в 4 нА. Это вселяет надежду.

Комментарий Дедала

Вскоре после публикации моей заметки журнал получил письмо от читателя (New Scientist, Febr. 12, 1981, p. 456), обратившего наше внимание на две статьи В. Блэкмана, опубликованные еще в 1924 г. (Journal of Agricultural Science, 14, 1924, p. 240, 268). В этих статьях описывается положительное влияние высокого электрического напряжения на рост таких злаков, как овес и ячмень; при этом упоминаются все описанные мной атрибуты – металлическая сетка над растениями, постоянное (а не переменное) напряжение в несколько десятков киловольт, токи в миллиардные доли ампера на каждое растение. Скорость роста при таких условиях увеличивалась в среднем на 20%.

Опоздав со своим открытием на 60 лет, я нахожу утешение в том, что мне удалось подвести теоретическую основу под экспериментальный факт, казавшийся загадочным. Позднее были описаны другие опыты по изучению влияния электрического поля на растения (New Scientist, Febr. 12?—№, p. 406; March 19, 1981, p. 741). Быть может, этот метод вновь привлечет внимание исследователей.

Электроосмотическое ускорение роста. Проволочная сетка, находящаяся под «ускоряющим» потенциалом, способствует дальнейшему росту достигших ее растений. Низкорослые растения, не достающие до сетки, не испытывают ее благотворного действия.

Взлет и падение современной архитектуры

Дедал с интересом воспринял недавнее заявление архитектора Сейферта, строителя высотных зданий, который теперь отрекается от своих деяний и считает такое строительство социальным злом. Но что же делать с этими зданиями? Не взрывать же их динамитом! Дедал предлагает великолепное решение: не сносить, а валить. К счастью, Сейферт и его коллеги строили свои здания на открытых пространствах, где вполне достаточно места и для лежачего небоскреба. Поваленный небоскреб нетрудно трансформировать в сплошной ряд коттеджей, напоминающих о деревеньках, поглощенных в свое время городом. Конечно, нельзя просто так свалить здание, даже если «подмостить» ему огромную надувную подушку. Не пройдет и привлекательная на первый взгляд идея заполнить здание гелием и плавно приземлить его, как гигантский аэростат: слишком велик вес небоскреба. Поэтому Дедал разрабатывает систему парашютов и тормозных ракетных двигателей, с помощью которой здание, окруженное развевающимся шелком и клубами дыма, будет бережно опрокинуто на землю.

Любопытные проблемы возникнут при перестройке положенного набок небоскреба. В квадратном лестничном пролете можно будет пользоваться одной половиной лестниц (только стороны ступенек поменяются ролями), а другую половину придется переделать. Лифты превратятся в горизонтальную внутреннюю железную дорогу, правда, двери ее «вагончиков» будут иметь устрашающее сходство с опускными решетками средневековых замков. Полы и потолки превратятся в стены, и наоборот; к счастью, благодаря геометрической правильности современных жилых помещений это не создаст больших проблем. Ванна и стенной шкаф поменяются ролями, а из унитаза получится отличный рупорный громкоговоритель. Много переделок потребует сантехническое оборудование; необходимо будет также сделать новые двери. Но новый уклад жизни в этих поселениях устранит разобщенность, свойственную жизни в высотных домах.

New Scientist, December 5, 1974

По своей структуре снег представляет собой удивительное вещество. Водяной пар в холодном воздухе, минуя стадию жидкости, превращается сразу в кристаллы снега, слой пушистых хлопьев которого является легчайшим звукопоглощающим и теплоизолирующим материалом. Какая жалость, что он тает уже при нуле градусов. Химики фирмы КОШМАР пытаются получить искусственный снег из веществ, пары которых способны конденсироваться сразу в твердую фазу. Они впрыскивают горячие пары иода, нафталина и хлористого аммония в большую холодильную камеру, надеясь получить эти вещества в виде снега. Но хотя нафталиновый снег отпугивает моль, а снег из иода имеет прекрасный фиолетовый цвет, в качестве конструкционных материалов они недолговечны: как и обычный снег, они постепенно сублимируются, превращаясь обратно в пар. Нам же необходимо, чтобы полученный снег затвердевал. Поэтому специалисты фирмы КОШМАР подыскивают мономер, который не только конденсируется из газообразного в твердое состояние, но и полимеризуется под действием ультрафиолетового излучения, превращаясь в устойчивую пластмассу. Это позволит получить нетающий при обычных условиях полимерный снег.

Новая технология произведет революцию в строительстве. Вместо того чтобы возиться с кирпичом, цементом, строительными лесами, достаточно будет возвести на строительной площадке большой надувной шатер. Внутри шатра генератор снега фирмы КОШМАР устроит искусственный снегопад. Хлопья искусственного мономерного снега толстым слоем укутают надувные каркасы. После этого включаются кварцевые лампы – снег полимеризуется и отвердевает. Из каркасов выпускают воздух и переносят их на следующий этаж. Дом из полимерного снега («полииглу») абсолютно водонепроницаем: водоотталкивающая поверхность полимера не позволит воде проникнуть в поры материала. В то же время стены этого дома будут «дышать» и внутри полииглу никогда не будет сырости и духоты. Более того, Дедал утверждает, что вентиляционная система, засасывающая воздух прямо через пористые стены, будет также предотвращать утечку тепла, так что жильцам не придется платить за отопление.

New Scientist, March 9, 1978

Комментарий Дедала

Вскоре после публикации этой заметки Дж. Фоше сообщил в редакцию, что корпорация «Юнион карбайд» уже более десяти лет выпускает конденсирующийся из пара полимер под названием «парилен» (полипараксилилен). Он также любезно прислал нам техническую документацию, из которой следует, что парилен не образует снега, а конденсируется в твердый монолитный продукт, абсолютно лишенный пор. Так держать!

Пикфикские записки

По мнению Дедала, система «Престел», предназначенная для передачи информации на экраны телевизоров, пока еще не вполне совершенна. Телевизионное изображение не положишь к себе на стол, чтобы проанализировать данные в спокойной обстановке, не подошьешь в папку. Эта информационная система останется несовершенной до тех пор, пока не будет изобретен способ получать устойчивую копию телевизионного изображения. Такой способ предлагает Дедал. Он обращает внимание на тот факт, что если охладить жидкокристаллический индикатор электронных часов или микрокалькулятора ниже температуры замерзания жидкого кристалла, то имевшееся на нем изображение зафиксируется. Далее. Изображение на телевизионном экране создается электронным лучом, и поэтому разные точки экрана имеют не только различную яркость, но и разный заряд. Следовательно, наложив на телевизионный экран жидкокристаллический индикатор, мы получим на нем то же самое изображение. Телекопировальная бумага фирмы КОШМАР «пикфикс» представляет собой просто тонкий слой жидкого кристалла с высокой температурой плавления, зажатый между листами токопроводящего поляроида. Достаточно прижать этот лист к телевизионному экрану, включить на короткое время нагреватель, и телевизионное изображение будет перенесено на «пикфикс». После охлаждения изображение зафиксируется, и мы получим устойчивую копию.

Это оригинальное изобретение не только поднимет систему «Престел» на качественно новый уровень, но и позволит сэкономить немалое количество бумаги. Например, можно будет прекратить печатать газеты огромными тиражами, а просто ежедневно передавать по телевидению изображения газетных полос. Читатели смогут снимать копии с любого газетного материала и хранить их, сколько захочется. Один и тот же лист «пикфикса» можно использовать для получения копий неоднократно, подобно магнитной пленке в звукозаписи: при нагревании бумаги «пикфикс» изображение «стирается». Почтовое ведомство сможет предложить новый вид услуг: факсимильную передачу писем с помощью телевизора. Такие письма разумно будет передавать по телефонным линиям связи в ночное время, когда эти линии не загружены. Немало радости принесет это избретение и поклонникам телезвезд – они получат возможность переснимать портреты своих кумиров прямо с экрана. Бумага «пикфикс» вообще станет универсальным носителем информации. На ней даже можно будет писать горячим электростатическим пером.

New Scientist, March 19, 1981

Руководство к получению копий на бумаге «пикфикс»

1. Вложите лист бумаги. После закрытия прозрачной нагревательной крышки на бумаге получится изображение, повторяющее изображение на экране телевизора.

2. В нужный момент выключите нагреватель. Изображение на бумаге мгновенно зафиксируется.

3. Откройте крышку и возьмите полученную «фотографию».

Из записной книжки Дедала

Жидкокристаллические соединения имеют две «точки плавления»: при температуре ниже нижней «точки плавления» они находятся в твердом состоянии, а выше верхней – представляют собой истинные жидкости. В интервале же между этими точками они находятся в промежуточном состоянии – в виде анизотропной жидкости с упорядоченной ориентацией молекул. Для бумаги «пикфикс» нам нужен жидкий кристалл, нижняя точка плавления которого несколько выше комнатной температуры (чтобы полученное изображение фиксировалось при нормальной температуре), но в то же время легко достигается при слабом нагревании. Для опытного образца подошел бы 4-метокси-4'-(н-бутил)-азоксибензол (нижняя точка плавления его соответствует температуре 42°C, а верхняя – 77°C).

Пожалуй, наиболее подходящими для наших целей будут нематические жидкие кристаллы, так как при их использовании для управления индикатором требуется минимальное напряжение: достаточно уже 5–10 В, а если подойти к делу с умом, то и меньше. В отсутствие электрического поля молекулы жидкого кристалла не обладают оптической активностью. Но если поместить нематический жидкий кристалл в электрическое поле, то плоскость поляризации проходящего через него света будет вращаться. Поместив жидкий кристалл между скрещенными поляроидами, мы сможем наблюдать изменение ориентации молекул кристалла под действием электрического поля. В отсутствие поля такой пакет непрозрачен для света – бумага «пикфикс» будет казаться черной. Если наложить такую бумагу на телевизионный экран, то электрическое поле, создаваемое электронным лучом, изменит ориентацию молекул и мы получим на бумаге позитивное изображение телевизионного кадра. Нетрудно создать и негативную бумагу «пикфикс» – для последующего размножения изображения фотографическим способом.

Проблемы. Быстродействие жидкокристаллических индикаторов составляет десятки миллисекунд, что намного больше времени, в течение которого электронный луч рисует одну «точку» телевизионного изображения. Нам придется подобрать сопротивление утечки таким образом, чтобы заряд на телевизионном экране сохранялся на протяжении всех 40 мс – времени проекции одного телевизионного кадра. Это позволит нам переснимать отдельные кадры телеизображения, если только мы сумеем достаточно быстро охлаждать бумагу. Для этого бумага «пикфикс» должна быть очень тонкой, что желательно и по многим другим причинам[45]45
  При замораживании, т. е. переходе в истинно кристаллическое состояние, ориентация молекул жидкого кристалла, обусловленная внешним электрическим полем, не сохранится, поскольку энергия межмолекулярного взаимодействия в истинном кристалле на несколько порядков выше энергии, используемой для переориентации молекул в жидкокристаллическом состоянии. Иначе говоря, при замораживании изображение исчезает. – Прим. ред.


[Закрыть].

Использование. Помимо очевидных применений бумаги «пикфикс» – для быстрого снятия копий с телевизионного экрана и в дисплеях ЭВМ – можно назвать по крайней мере еще два:

а. Термограммы. Если положить бумагу «пикфикс» на поверхность и подать на нее короткий импульс напряжения, то мы получим прозрачное изображение тех участков поверхности, температура которых превышает 42°C (нижняя точка плавления жидкого кристалла). Такие термограммы могут использоваться в медицине, технике, теплотехнике и т. п.

б. Электрограммы. Если положить бумагу на плату электронного прибора и быстро сильно нагреть ее, то мы получим прозрачное изображение тех точек, где электрическое напряжение превышает 5 В (пороговое напряжение для данной бумаги). Такие электрограммы очень удобны для диагностики повреждений в электронных приборах, для поиска скрытой электропроводки, проверки аккумуляторов и т. п.