Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"

Автор книги: Сергей Бердышев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 25 страниц)

Скажем, первый в истории марсоход «Соджорнер», совершивший свое путешествие по поверхности красной планеты в 1997 г. (отключился в марте 1998 г.), является типичным роботом. Одиннадцатикилограммовый аппарат был снабжен небольшим компьютером, который выполнял сразу несколько функций: помогал марсоходу ориентироваться, снимал местность, проводил физико-химические опыты и передавал собранную информацию на станцию, которая ретранслировала сообщения на Землю.

Некоторые люди всерьез опасаются восстания стальных рабов и уничтожения ими человеческой расы. По этой причине знаменитый писатель-фантаст А. Азимов даже сформулировал три правила, которые должны неукоснительно соблюдаться при конструировании роботов. Как всегда, реальность бесконечно далека от фантастики. Угроза со стороны роботов действительно существует, но она заключается вовсе не в надуманном покорении машинами мира людей. Робототехника опасна, причем иногда смертельно опасна, для здоровья людей.

Движения заводского робота слишком быстры и неожиданны для человека-оператора, который работает в паре с машиной и управляет рабочим процессом. Роботы наносят человеку травмы самыми разными способами – ударяют манипуляторами, переносимыми деталями, прижимают к стене грузом или корпусом во время разворота, поражают рабочим инструментом во время движений. Программные ошибки, повреждения в сети питания, перепады напряжения, воздействие радиоволн приводят к тому, что устройство нередко ведет себя непредсказуемо и совершает незапланированные движения в области, где должен в безопасности находиться рабочий.

Наконец, приводит к травмам и смертельным случаям на производстве нарушение техники безопасности со стороны самих работников. Первое убийство человека роботом произошло на японском заводе более 20 лет назад, в 1981 г. С тех пор смертность по вине роботов достигла в среднем 1,7–2 человека в год. Ежегодно роботы только в Японии становятся причиной 6 случаев травм.

У работников, обслуживающих роботов или выполняющих задание с ними в паре, развивается сильный стресс и наблюдаются заболевания, вызванные стрессовым состоянием, – нервозность, психические расстройства, нарушения сердечной деятельности, язвенная болезнь желудка. Причиной тому служит страх перед человекоподобным существом, обладающим колоссальной силой и явно превосходящим человека во многих отношениях. Рабочие боятся связанной с роботами безработицы, боятся отстать от робота, не могут расслабиться во время совместного выполнения задания.

Справедливости ради нужно сказать, что роботизация не привела к безработице, но скомпенсировала устранение ряда профессий появлением новых рабочих мест. Благодаря роботам человек получил возможность избавиться от необходимости возиться в грязи и бездумно завинчивать гайки.

Однако не стоит спешить избавиться от роботов. Нужно постараться приспособить их к ограниченным возможностям человека. В 1990 г. Международная организация труда (Швейцария) издала свод из 7 правил робототехники, которые непременно должны соблюдаться ради безопасности человека. Эти правила звучат следующим образом.

1. Назначение роботов, цель их создания – повышение благосостояния человека.

2. Робототехника может вытеснять человека только с опасных для него производств.

3. Программа робота включает в себя полное повиновение человеку, потому что машина не должна как-либо подавлять своего хозяина.

4. Ни под каким видом робот не должен причинять вред человеку, а в критических ситуациях машина обязана ценой собственной поломки обезопасить работника.

5. Замена человека роботом проводится только после получения согласия со стороны рабочего.

6. От инженеров требуется добиться обеспечения максимальной простоты управления роботом. Это устройство должно быть столь же легким в эксплуатации, как детская игра.

7. Необходимо запрограммировать робота на удаление по завершении задания, чтобы он не мешал людям и остальным роботам.

Несмотря на наше неумение обращаться с робототехникой, высокоавтономные устройства станут разрабатываться и дальше. Фантасты представляют нам мир будущего, где различные работы выполняют исполинские андроиды. Судя по всему, инженерам действительно придется разрабатывать гигантов для выполнения разнообразных задач.

В первую очередь таким машинам предстоит выполнять строительные работы и проводить космические исследования. Уже в конце 1980-х гг. американцы запланировали постройку исполинского шагающего робота для изучения марсианской поверхности, постройка которого начнется в ближайшие годы. Высота машины, которой заранее дали название – «Амблер», составит 7 м.

Но больше всего ученых привлекают не гиганты, а карлики, т. е. нанотехнологии. Нанороботы отличаются крайне малыми, микроскопическими размерами. Они по своему строению, поведению, формам активности и деятельности копируют настоящие микроорганизмы. Но если человек в большинстве случаев лишен возможности управлять бактериями и простейшими, то миниатюрная робототехника полностью подчиняется своему создателю. С помощью нанороботов можно будет изготавливать сложнейшие детали, проводить ремонт разнообразных устройств, исследование рабочих циклов механизмов, осуществлять тончайшие хирургические операции.

3. Молекулярное строение вещества

Велико в жизни и хозяйственной деятельности человека значение всех тех явлений, которые имеют отношение к температуре и теплоте. Подвигом Прометея считается то, что титан подарил людям огонь. При помощи огня человечество научилось не только готовить пищу, но и расчищать лес под посевы, обрабатывать металл. Сейчас понятия температуры и теплоты, а также связанные с ними явления окружают нас повсюду. Двигатели внутреннего сгорания, ракеты, атомные реакторы, электрокамины и многое другое – все это так или иначе связано с теплом. Поэтому в начале Нового времени в физике оформилось самостоятельное направление, известное как учение о теплоте.

Кинетическая теория

Учение о теплоте чаще всего называют в наши дни молекулярно-кинетической или просто кинетической теорией. Слово «кинетический» в переводе означает «относящийся к движению», а слово «молекула» буквально переводится как «массочка», т. е. крайне малая масса. Молекулы являются мельчайшими частицами вещества, сохраняющими его химические свойства. Если преобразовать молекулу, то вещество подвергнется химическому превращению и станет новым соединением. Однако молекулы обладают еще и физическими свойствами, которые тесно связаны с тепловыми процессами и явлениями. Кроме того, в данных процессах принимают участие прочие частицы, слагающие тела: атомы, ионы, электроны и др.

Открыта природа температуры

Изучение температуры тел тесно связано с познанием природы теплоты вообще. Еще в эпоху античности мыслители-натурфилософы задавались вопросом о том, что есть тепло и нагретость. Эти ученые выдвигали самые разнообразные умозрительные гипотезы, зачастую совершенно невероятные. Только в позднем средневековье утвердилось представление о температуре как о степени нагретости тела. Подобные представления привели к изобретению термометра, а он позволил приоткрыть завесу тайны, связанной с другими загадками температуры и теплоты.

Новые открытия позволили усовершенствовать конструкцию термометра и разработать калориметрические приборы. Множество открытий принес XVII в., за время которого был совершен скачок в науке о теплоте. Выдающийся английский философ и ученый Ф. Бэкон, а вслед за ним и основатель картезианства, французский мыслитель и математик P. Декарт придерживались весьма своеобразного представления о теплоте и температуре. В то время эти понятия частично смешивались, поскольку оба феномена были взаимосвязаны и представляли собой две стороны одного явления.

Тем не менее гипотеза Бэкона и Декарта была близка к истине. Они связали нагретость и тепло с незримым движением частиц – атомов и корпускул, из которых состоят физические тела. Но многие в то время придерживались галилеевской теории теплорода, которая восторжествовала в науке в XVIII столетии. Согласно этой теории, которая была неверной, теплота представляет собой как бы невесомую жидкость, перетекающую от одних тел к другим, сообщая им некоторую температуру.

Гипотетическую невесомую жидкость, которая в действительности не существовала, окрестили теплородом. Против теории теплорода выступали выдающиеся отечественные ученые того времени, в первую очередь М. В. Ломоносов и Г. Рихман, которые первыми начали проводить калориметрические исследования. Рихман в 1744 г. вывел формулу для вычисления степени нагретости смеси любого количества масс воды, имеющих неодинаковые температуры. Основываясь на этой формуле, шотландец Дж. Блэк обнаружил «скрытую теплоту льда», иными словами, теплоту плавления льда.

Ломоносов, сотрудничая с Рихманом, сформулировал основные положения молекулярно-кинетической теории. Он первым начал отличать атомы от молекул, внеся порядок в учение о теплоте. Несмотря на старания прогрессивных ученых, теория теплорода просуществовала в физике необычайно долго. Лишь промышленный переворот в XVIII–XIX вв. положил конец безраздельному господству ложной теории: она не могла реально объяснить преобразования теплоты в работу и наоборот, а именно эти процессы находились в центре внимания инженеров – создателей паровых машин.

К кинетическому учению вновь вернулись, оно стало непрерывно совершенствоваться. Физики догадались, что степень нагретости означает выражение внутренней энергии тела, заключающейся в хаотическом движении молекул. Такое беспорядочное движение частиц получило название теплового, но нередко его именуют броуновским по имени английского ботаника P. Броуна, который мог наблюдать под микроскопом последствия движения молекул воды. Хотя броуновское движение и имеет одинаковую природу с тепловым, в действительности оно есть следствие теплового.

Хаотическое тепловое движение характерно для всех объектов, включая твердые тела. Степень свободы у частиц твердого тела невелика, оттого их тепловое движение представляет собой ритмичные колебания вокруг одной точки. При нагреве внутренняя энергия тела меняется, его частицы начинают двигаться быстрее. В конечном итоге прежние связи разрушаются, таким образом твердое тело переходит в жидкость с повышением температуры. В жидкости велики силы сцепления, но они допускают большую подвижность молекул. С этой особенностью связано присущее жидкостям свойство текучести.

Броун, разумеется, не мог наблюдать перемещений молекул, а лишь видел при помощи микроскопа смещения ничтожно малых растительных спор в воде. Подвижные водные молекулы ударяли по спорам растений. Суммарный удар большого числа молекул с одной стороны заставлял каждую спору двигаться в противоположную сторону, куда ударов приходилось меньше. Точно таким же образом молекулы соударяются одна с другой. Во время подобных соударений происходит обмен энергией. Всякому случалось опускать в горячий чай холодную ложечку, чтобы она его остудила.

Данный пример демонстрирует одно из неизбежных последствий молекулярного теплообмена. Быстрые молекулы горячей воды ударяют в ложечку и расшатывают ее молекулы. Энергия водных частиц растрачивается, и чай действительно немного остывает, а вот ложечка при этом обычно сильно нагревается. Получается, что горячее то тело, молекулы которого имеют наибольшую скорость (максимальную энергию). Но это касается однородных тел. Воду можно перевести в газообразное состояние, если нагреть ее до температуры +100 °C, при которой человек получает ожоги.

Однако водяной пар является газом, как и воздух, состоящий из смеси газообразных азота и кислорода. Тем не менее температура воздуха сравнительно низка, она не поднимается выше +56 °C. Дело в том, что молекулярное строение воздушных газов отлично от воды. Связи между их частицами непрочны и разрушаются уже при отрицательных температурах. Поэтому кислород становится газом при -182,96 °C, а азот – при -195,8 °C. В целом воздух как сложная смесь кипит при температуре -193 °C (все величины даны для нормального давления).

Частицы в газах обладают максимальными скоростями в мире молекул, однако разные газы получаются при разных температурах. Кипение каждого вещества происходит, если сообщить телу некоторое количество энергии. Обычно говорят о теплоте кипения. Точно так же существует теплота плавления, обнаруженная Блэком. Здесь-то как раз и проявляется разница между температурой и теплотой. Чтобы нагреть тело до определенной температуры, требуется сообщить ему некоторое количество энергии, т. е. какое-то количество теплоты.

Однако для перевода тела в новое агрегатное состояние (твердого – в жидкость, жидкости – в пар) недостаточно нагрева до температуры плавления или кипения. Нужно сообщить еще некоторое количество теплоты (энергии), которое пойдет на разрыв связей между молекулами. Вода кипит при температуре +100 °C. Однако легко представить, как надолго затянется попытка полностью перевести воду в пар посредством кипения.

Чтобы вода выкипела, мало сообщить ей температуру кипения. Требуется придать жидкости количество теплоты, необходимое для выкипания – превращения всего объема воды в пар. Оттого, к слову, ожоги от пара гораздо болезненнее, чем ожоги от кипятка. Пар обладает большим запасом энергии, т. е. большим количеством теплоты.

Кому-то может показаться, что энергия теплота тождественны. Отчасти так оно и есть. Теплота представляет собой т. н. тепловую энергию, особую разновидность энергии вообще. Этот вид энергии можно перевести в другие виды. На этом принципе основано строение всех тепловых машин: выделяемая ими теплота преобразуется в механическую энергию, которая становится работой.

Воздух насыщен водяным паром. Как же получается, что человек не обжигается этим паром. Причин тому несколько, и открыты они были учеными не сразу. Следует сказать, что молекулы пара затрачивают свою энергию вследствие соударений с «холодными» воздушными молекулами. В результате скорость движения водяных частиц в атмосфере резко падает, пар остывает. Оттого в высших ее слоях протекают процессы конденсации, осаждения капельной влаги. Вода возвращается в жидкое состояние. Из бесчисленных мельчайших капелек складываются облака.

Второй причиной является то, что мы не ощущаем ударов отдельных молекул, а газы в атмосфере сильно перемешаны. Поэтому конденсация влаги протекает лишь на больших высотах, где падение температуры воздуха более чем заметно. Смешение молекул с разными скоростями приводит к тому, что средняя скорость частицы воздуха резко отличается от максимально и минимально возможных значений. Получается, что воздух состоит из усредненных молекул, определяющих его температуру, которую можно ощущать и измерить.

То же самое касается и всех остальных веществ в любом из агрегатных состояний. Внутри жидкости, газа и твердого тела (даже химически однородного, т. е. состоящего из одинаковых молекул или одинаковых атомов) всегда найдутся быстрые частицы и медленные. Любопытно, что нередко разница оказывается весьма существенной. Некоторые молекулы при средней температуре тела +20 °C двигаются неактивно: эти «ленивцы» преодолевают за единицу времени такое же расстояние, какое соответствует морозу в -50–100 °C. Зато наиболее быстрые движутся на скоростях, отвечающих жаре в +100–150 °C. Известны и более существенные расхождения.

Если бы ученые располагали прибором, способным отсортировать молекулы по скоростям, то обычным воздухом в комнате (а стало быть, при комнатной температуре) удалось бы вскипятить без проблем 100 г воды. К сожалению, такой прибор невозможен. Он называется «демоном Максвелла», поскольку впервые именно английский физик Дж. Максвелл открыл разделение молекул по скоростям и указал на невозможность создания такого устройства. В природе не существует фильтра для быстрых и медленных молекул.

Изобретение термометра

Человек изобрел немало способов измерять температуру окружающих его тел. До нашего времени сохранились несколько градусных шкал температуры, построенных на основе первых термометров самого разного устройства. Поразительно, что элементарный градусник не является больше научным инструментом, хотя первоначально был таковым. Ныне он нашел широчайшее применение в промышленной химии, технике, метеорологии, ветеринарии и, конечно же, в медицине.

Изобретателем замечательного измерительного прибора, полезного всем, являлся знаменитый человек. Самый первый градусник, как принято считать, создан великим механиком и астрономом Г. Галилеем, который разработал немало самых разнообразных технических приспособлений для проведения замеров во время своих экспериментов. Устройство Галилея, вошедшее в историю под названием термоскопа, сконструировано в 1597 г.

Галилеев термоскоп не был проградуирован, так что мы не имеем полного права называть устройство градусником. Он представлял собой полый стеклянный шар, соединенный трубкой с водным сосудом. Воздух в шаре при изменении температуры сжимался или расширялся, и вода то поднималась в трубке, то опускалась.

Официальное мнение относительно первенства Галилея в изобретении термометра спорно. Галилеево устройство, скорее всего, было первым научным инструментом, послужившим основой для создателей последующих моделей.

Первый настоящий термоскоп был сконструирован александрийским механиком Героном. Принцип действия термометра Герона был схож с принципом действия термометра Галилея. Воздух в шаре с водой от нагрева расширялся и вытеснял воду наружу: она выливалась через особую трубочку в блюдце. Оба термоскопа являлись одновременно и бароскопами, потому что сильно зависели от атмосферного давления. Оно вносило погрешности в измерения. Сегодня удалось подсчитать, что изобретатели обманывались на 10 °C, хотя не подразумевали об этом, да и не смогли бы проверить сами себя.

Более совершенные термометры, нередко снабженные градуированными шкалами, созданы во второй половине XVII в. Среди них – термометр Флорентийской академии опыта, а также градусник Санторио. Итальянец Санторио был врачом и применял свой самодельный градусник для измерения температуры у пациентов. То есть изобретатель впервые нашел одну из областей практического применения термометров.

Принцип действия всех термометров был абсолютно одинаков. При нагреве некоторая мерная жидкость меняет объем – расширяется или сжимается. Столбик этой жидкости движется вдоль градуированной шкалы и показывает, насколько нагрета или охлаждена жидкость. Создать градусную шкалу долгое время не удавалось. Для этого требовалось выполнить два условия. Во-первых, нужно было найти в природе какую-то постоянную температуру, которая послужит эталонной отметкой. Во-вторых, требовалось четко определить величину одного градуса посредством мерного вещества.

Первое условие было выполнено тогда, когда удалось эмпирическим путем установить несколько стабильных температур – человеческого тела, смеси льда и воды, водяного пара, а также некоторых других. Для тела здорового человека характерно наличие одной постоянной температуры. Сколько не измеряй ее термометром заданной конструкции, показания прибора останутся прежними. То же касается смеси льда и воды. Замерзающая вода имеет неизменную температуру, равно как, впрочем, и водяной пар. Позднее физики научились находить и другие постоянные температуры.

Один из самых ранних термометров, оказавших влияние на развитие современной техники измерения температуры, был создан Реомюром. Его шкала, получившая название шкалы Реомюра, была градуирована при использовании всего одной постоянной точки. За эту точку была принята температура плавления льда, которую Реомюр обозначил как 1000 градусов. Она равна температуре замерзания воды (смеси воды и льда).

Мерной жидкостью в термометре Реомюра служил спирт, имеющий такую плотность, при которой его коэффициент расширения равняется 0,0008. При нагревании или охлаждении на 1 градус Реомюра спирт менял объем на 0,0001 часть. Измерив с помощью своего термометра температуру кипения воды, физик получил величину 1080 градусов. Изобретатель исходил из предположения, что при каком угодно нагревании тепловое расширение мерной жидкости протекает равномерно.

Поскольку пользоваться такой шкалой было неудобно, то со временем ее заменили на обновленную. Новая градуировка принимала за 0 градусов Реомюра температуру плавления льда, а за 80 градусов – температуру кипения воды. Хотя размер градуса остался прежним, основанным на спиртовом коэффициенте, нынешние термометры Реомюра в действительности ртутные.

Голландский стеклодув Фаренгейт, шкала которого получила еще большее распространение в разных странах, в первую очередь в англоязычных, отталкивался в своих исследованиях от капризов природы. Зимой 1709 г. в Данциге были отмечены самые крепкие за последние 100 лет морозы. Поэтому Фаренгейт выбрал в качестве постоянной точки для градуирования шкалы своего термометра минимальную температуру, которую ему удалось получить при охлаждении на морозе смеси из нашатыря, поваренной соли и воды.

Однако Фаренгейт на этом не остановился и взял для дальнейшего градуирования вторую постоянную точку. В своем выборе ученый последовал примеру великих физиков (в т. ч. Ньютона), конструировавших свои термометры на основе величины нормальной температуры человеческого тела. Причиной тому, впрочем, было не единственно подражание. В то время многие медики ошибочно полагали, будто воздух не нагревается в естественных условиях выше температуры тела человека. В противном случае люди бы погибли, т. к. кровь якобы не может существовать в жидком виде при температуре среды, равной ее собственной температуре.

Таким образом, вторая постоянная точка шкалы оказалась также косвенно связанной с воздухом. На шкале были отмечены минимальная и максимальная температуры воздуха в естественных условиях. Интервал между двумя точками Фаренгейт разбил на 24 деления – градуса. Поскольку полученный отрезок оказался чрезмерно велик, то впоследствии Фаренгейт поделил каждый градус еще на 4 и новый отрезок стал называть градусом.

Всего между постоянными точками шкалы находится 96 градусов. Температура кипения воды равняется 212 градусам. Следует заметить, что изобретатель придерживался в корне ошибочного мнения о постоянстве изменения объема при тепловом расширении, как и Реомюр. То есть оба считали, будто от нагрева или охлаждения на 1 градус объем меняется на строго заданную долю. В настоящее время известно, что изменение объема протекает не всегда одинаково. Фаренгейт допустил и другую ошибку. В то время было принято считать нормальной температурой человеческого тела +35 °C, именно эту отметку и взял за основу изобретатель.

Шкала А. Цельсия, предложенная им в 1742 г., была гораздо более удобна. Прежде всего, эта шкала была стоградусной, т. е. рассчитанной на небольшой спектр температур. В пределах ее отметок объем мерной жидкости (ртути) меняется на строго определенную величину при изменении нагретости на 1 градус. Это коэффициент теплового расширения. За основу были выбраны наиболее известные своим постоянством температуры таяния льда и кипения воды, впервые найденные физиками X. Гюйгенсом и P. Гуком в середине XVII в. В современной физике стоградусная шкала не заняла ведущих позиций, хотя и является очень важной.

Однако она широко применяется в медицине. Температуру человеческого тела во множестве стран измеряют по шкале Цельсия. Любопытно, что традиционные термометры Цельсия вскоре будут заменены на электронные, показывающие точную температуру на табло. Лишь значение градуса останется прежним. Созданы самые разные модели электронных термометров, среди них наиболее примечателен «шумовой» градусник. С повышением температуры тела человека молекулы в клетках начинают активнее двигаться, колебаться. В результате они создают сотрясения, генерирующие неслышимые шумы. Ученым удалось зарегистрировать молекулярный шум человеческого организма и измерить по этому шуму температуру с помощью электронной аппаратуры.

Современная физика пользуется шкалой У. Томсона (лорда Кельвина). Численно 1 градус Кельвина (1 К) равен 1 градусу Цельсия, поскольку стоградусная шкала была весьма удобна в практических работах. Но шкала Кельвина имеет одну постоянную точку. Это т. н. абсолютный нуль, при котором молекулярное движение полностью прекращается. Данная температура равна -273,15 °C. Отрицательных температур на шкале Кельвина нет. Посредством такой шкалы можно измерять термодинамическую температуру, определяющую количество переданной от тела к телу тепловой энергии.