Текст книги "Юный техник, 2008 № 02"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
Как смоделировать ядерный взрыв?

Z-машина: аналог приходит на помощь цифре

Сейчас, когда многим кажется, что нет предела возможностям суперкомпьютеров, даже специалисты, стали забывать, что кроме цифровых вычислительных машин в технике некогда широко применялись аналоговые. Но, похоже, аналоговые вычислительные установки еще не сказали своего последнего слова.

Для начала несколько слов о том, как работают аналоговые вычислительные машины. Представьте, что вам нужно решить классическую задачу о бассейне и двух трубах. Через одну трубу в бассейн вода вливается, через другую выливается, а вам нужно определить, сколько воды окажется в бассейне спустя определенное количество времени.

В школе вы справляетесь с подобными задачами без всяких компьютеров. Несложно, впрочем, составить и программу для подобных расчетов. Тогда нужно будет лишь подставлять исходные данные, и компьютер автоматически даст ответ.

А в былые времена, чтобы отслеживать подобные процессы в реальном масштабе времени, могли создать и вот такую аналоговую схему (см. рис.). Переменное сопротивление R1 представляло собой аналог первой трубы с краном, сопротивление R2 – второй. Течение постоянного тока заменяло течение воды, а заряд конденсатора С показывал объем воды в бассейне. Меняйте, как угодно, величины сопротивлений, и, замеряя величину напряжения на конденсаторе, вы всегда будет знать, сколько воды в бассейне.

Электрическая схема процессов, протекающих в бассейне, может выглядеть, например, так.

Конечно, мы взяли для примера наипростейшую задачу. И соответственно, аналоговая схема тоже получилась весьма простенькой. В настоящих аналоговых машинах схемы были куда сложнее. Но суть дела от этого не меняется, даже если речь заходит, скажем, о моделировании… ядерных взрывов.

Сейчас, как известно, реальные ядерные испытания ни одна из ведущих стран мира не проводит. Тем не менее, совершенствование ядерных и термоядерных устройств продолжается. А как проверить, по верному ли пути движутся ученые и конструкторы?

Обычно прибегают к моделированию взрывов на суперкомпьютерах. Но даже американцы, которые считают разработку суперкомпьютеров стратегическим направлением, понимают, что в основе любых расчетов в конечном счете должны лежать некие реальные данные. И тогда на помощь вычислительным машинам приходят аналоговые установки, которые позволяют моделировать если не весь ядерный взрыв целиком, то хотя бы отдельные его факторы.

Например, один из основных поражающих факторов ядерного взрыва – радиация или жесткое электромагнитное излучение. Казалось бы, смоделировать его довольно просто – всем известный рентгеновский аппарат является, между прочим, и источником радиации.

Однако в данном случае, чтобы дать реальную картину, источник излучения должен иметь мощность, сравнимую с ядерным взрывом. Такой рентгеновский излучатель и был создан в Национальной лаборатории Сандия ( Sandia National Laboratories) министерства энергетики США. Он получил полуофициальное название «Z-машина».

Центральное место в конструкции занимает разрядник особой конструкции. Два металлических кольца диаметром около 4 см соединены сотнями вольфрамовых нитей, каждая из которых много тоньше человеческого волоса. В строго определенный момент через эту паутину разряжаются 36 батарей мощных конденсаторов особой конструкции, способных выдерживать большую пиковую нагрузку – так называемых генераторов Маркса. Под действием тока в 26 млн. ампер вольфрамовые волоски мгновенно испаряются, а мощное магнитное поле разряда сжимает плазму в тонкий шнур и вытягивает вдоль оси цилиндра.

Происходит своего рода взрыв. Только продукты взрыва и ударная волна распространяются не в стороны, как обычно, а, напротив, происходит процесс имплозии (implosion), сжатия – своего рода как бы «взрыв вовнутрь».

При этом ионы разгоняются и сталкиваются друг с другом со скоростью несколько тысяч километров в секунду. Температура в центре устройства может превысить 1,5 млн. градусов, а в виде рентгеновского излучения выделяется примерно 1,6 мегаджоуля энергии. Примерно столько же выделяется при сгорания 40 г бензина.

На первый взгляд это немного. Но не забывайте, что вспышка длится всего около 50 наносекунд (50 миллиардных долей секунды), и в результате мощность рентгеновской вспышки составляет около 30 тераватт (в пике еще больше). А эта величина уже на порядок превышает суммарную мощность всех электростанций Земли.

Суперконденсатор, или генератор Маркса, внешне похож на прозрачную трубку (внешняя обкладка конденсатора), внутри которой расположен центральный электрод (внутренняя обкладка конденсатора).

Поэтому на Z-машине удается моделировать не только ядерные, но и термоядерные взрывы. Когда в фокус разряда поместили маленькую капсулу с дейтерием, в момент вспышки был зарегистрирован поток нейтронов, что говорит о протекании реакций термоядерного синтеза. Поэтому Национальное управление по ядерной безопасности США выделило 61,7 млн. долларов на совершенствование Z-машины. Пиковую мощность планируется повысить до 2,7 мегаджоулей, а количество экспериментов с 200 до 400 в год.

По материалам журнала Popular Science

РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…
«Жидкая» броня

Я слышал, что появилась броня из жидкости. Как это может быть? Известны ли подробности?

Виктор Самусенков,

г. Тула

Разведите крахмал в воде из расчета примерно половина на половину, и у вас получится своеобразный кисель. Вы можете мешать его чайной ложкой, но только медленно. Попробуйте приложить усилие – и ничего не выйдет: сил может не хватить. Примерно так работает и «жидкая» броня.

Впрочем, обо всем по порядку.

Похвальное слово кевлару

Еще недавно броневая защита была лишь двух типов. Во-первых, так называемая пассивная броня, которая существовала еще в древние времена. Удару меча, копья или стрелы противостояли щиты, панцири, кольчуги… Появление огнестрельного оружия, казалось, эпоху доспехов завершило, поскольку пуля пробивала любой панцирь.

Второе рождение брони состоялось лишь в начале XX века. На поле боя появились бронемашины, а затем – уже во второй половине прошлого столетия – все шире стали распространяться бронежилеты.

Более легкие сейчас делают из синтетических материалов. А те, что тяжелее, имеют еще специальные карманы, в которые вставляют пластинки из титана или специальной керамики. Именно они противостоят винтовочным или автоматным пулям, в то время как жилеты без вставок спасают лишь от пуль пистолетов.

Впрочем, не стоит думать, что под ударами скоростных и тяжелых пуль кевлар рвется. Нет, кевлар – его химическое название «полипарафениленфталамид» – в 4 раза прочнее стали. Так что скажем за него спасибо химикам во главе со Стефани Кволек, синтезировавшим этот материал в 60-х годах прошлого века. В наши дни в современных бронежилетах используют и более современный материал Zylon, созданный в Японии. Он еще легче и прочнее кевлара.

Тем не менее, все чаще легкие бронежилеты подводят полицейских и бойцов спецназа. И дело здесь не только в возросшей огневой мощи современного оружия, но в том, что иной раз пуля травмирует тело, хотя и не прорывает нитей синтетического волокна. Именно в таких случаях выручает броневая пластинка. Она к тому же распределяет приложенную силу на большую площадь, а то ведь от пуль на теле остаются гематомы.

Однако такие жилеты, как уже сказано, тяжелы (их вес достигает 15 кг), стесняют движения бойцов. Стало быть, их нужно улучшать.

Что у вас в активе?

Броня второго типа – так называемая активная – не просто принимает удар на себя, а отвечает ударом на удар. Основу ее составляют кумулятивные заряды, которые отличаются одной особенностью. Вся их взрывная мощь направлена обычно в одну сторону, а то и в одну точку. В итоге снаряд, попавший в танк или бронетранспортер, имеющий активную защиту, попросту отбрасывает направленный взрыв. Таким образом, сохраняются и экипаж, и сама машина.

И все бы замечательно, если б активная броня опять-таки не была громоздкой. Все важные узлы бронемашины приходится обвешивать сетками с шашками кумулятивной защиты. Кроме того, при любом взрыве не обойтись без отдачи. И если для танка это не имеет большого значения, поскольку многотонную махину с места отдачей не сдвинешь, то попробуйте представить себе, что станет с бойцом, если по его телу развесить пакеты с кумулятивными зарядами активной защиты. Нужно было искать иной выход из положения. И его нашли.

Текучая защита

Еще лет двадцать тому назад специалисты начали эксперименты с так называемыми электро– и магнитореологическими жидкостями. В самом простом виде такая жидкость представляет собой взвесь металлического порошка в машинном масле. В обычном состоянии ее, как и наш экспериментальный «кисель», можно мешать ложкой. Но стоит поместить жидкость в магнитное поле, и смесь «загустевает» до твердости монолита.

Поначалу такие жидкости использовали, например, для создания автомобильных и бесступенчатых коробок передач. Но лет десять тому назад американским исследователям пришло в голову испытать подобные жидкости переменной вязкости для создания бронежилетов нового типа.

Мысль как будто неплоха. Но ведь для наведения магнитного поля солдат должен носить с собой достаточно мощные, а значит, и массивные источники электропитания. А как узнать, в какой момент включать защиту?

Бумага, пропитанная раствором «жидкой» брони, не пробивается гвоздем, если по нему даже сильно стукнуть кулаком.

Пусть защита включает себя сама, решили исследователи. Ведь существуют же, например, пьезоэлементы, способные механическое давление или перемещение преобразовывать в электромагнитные импульсы…

В общем, первый вариант защиты мыслился таким. Бронежилет из кевлара имеет карманы. Внутрь каждого заливается электрореологическая жидкость, а сверху крепится пластина пьезоэлемента. При попадании, скажем, пули или осколка в пьезоэлемент, тот вырабатывает электрический импульс, жидкость затвердевает, и пуля останавливается.

Идея как будто неплохая, но когда прикинули общую массу такого обмундирования, оказалось, что носить подобную защиту под силу разве что слону. Да и переход из жидкого в твердое состояние требует десятых долей секунды. А нужны миллисекунды…

Броня как вода

Специалисты из Делавэрского университета (США), а также их коллеги из России и Израиля пошли кружным путем. Ими были созданы новые материалы на основе неорганических наноструктур, подобных фуллеренам.

Тут, видимо, надо пояснить, что фуллеренами называют крошечные, состоящие примерно из 60 атомов углерода, полые шарики, а затем и нанотрубки, обладающие рядом уникальных свойств.

В частности, фуллереновые материалы обладают изумительной прочностью. Во время испытаний наноброня на основе углерода и титана останавливала пули со стальным сердечником, летящие со скоростью 1,5 км/с и создающие в точке удара давление около 250 т/см ²!

Однако первые образцы новых наножилетов тоже оказались тяжелы и громоздки. Вот тогда-то специалисты и задумались над созданием «жидкой» брони. Ведь нынешние нанотехнологии позволяют создать материалы, например, из смеси атомов кремнезема и полиэтиленглюколя. Такая смесь в обычном состоянии не имеет четко выраженной кристаллической структуры и напоминает переохлажденную воду, которая обладает свойствами жидкости. Но достаточно малейшего механического воздействия, крошечного толчка – и жидкость тут же превращается в твердый лед.

Нечто подобное происходит в жидкой наноброне. Удар по ней приводит к тому, что раствор в мгновенье ока, а точнее в миллисекунду, превращается в монолит. Да такой прочный, что пуля попросту в нем застревает. А как только механическая нагрузка исчезает, структура снова становится жидкой. И боец в «наножилете» обретает свободу движений.

Впрочем, и такая конструкция – еще не идеал, считают специалисты. В самом деле, что будет, если боец повредит свой жилет, продираясь сквозь колючий кустарник? Вся защитная жидкость попросту выльется…

Хорошо бы, наверное, и сам жилет сделать саморемонтирующимся. Чтобы повреждения заживали на нем, как царапины на коже. Это случится еще не завтра. Но сами исследования уже вышли за пределы лабораторий. На специализированных полигонах, в обстановке строгой секретности ученые и военные эксперты продолжают отработку спецснаряжения для рыцарей XXI века. И что еще удивительного они придумают, мы постараемся вам рассказать.

По материалам выставки Inerpolitex

публикацию подготовил Г. МАЛЬЦЕВ

Кстати…

БРОНЯ ИЗ САПФИРА

Стекла, как известно, тоже бывают бронированными. Ныне квадратный метр бронированного стекла толщиной в 10 см весит около 80 кг – не каждый автомобиль способен нести такие окна.

И вот ученые Научно-технологического комплекса «Институт монокристаллов» НАН Украины в Харькове предложили использовать вместо бронированного стекла новый трехслойный материал на основе искусственного сапфира. В проекте также участвуют сотрудники питерского Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, словацкого Института неорганической химии и чешской компании Saint Gobain Advanced Ceramics.

По словам одного из разработчиков, заведующего отделом корунда НТК «Институт монокристаллов» Леонида Литвинова, первым встречает пулю именно слой специального упрочненного сапфира. Его задача – превратить конусную пулю в цилиндрическую, то есть сплющить ее кончик. Для этого искусственный сапфир подвергли спецобработке физическими и химическими методами, максимально увеличив его прочность.

В итоге, как показали испытания, пуля сквозь такой «сэндвич» не проникнет, лишь в месте попадания появятся трещины. При этом новая прозрачная броня втрое тоньше обычного пуленепробиваемого стекла, причем сам сапфир имеет толщину всего 7 мм!

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Суперпроводящий кремний

Новую страницу в исследованиях высокотемпературной сверхпроводимости открыли недавно французские физики, пишет известный научный журнал «Нейчур». Им удалось то, над чем другие бились долгие десятилетия…

И в самом деле, вот уже почти сто лет наука пытается решить проблему сверхпроводимости. Само это явление, заключающееся в том, что при определенных условиях – температуре, давлении и т. д. – материал полностью теряет электрическое сопротивление, было открыто в 1911 году нидерландским физиком Г.Камерлинг-Оннесом. За это он вскоре был удостоен Нобелевской премии (1913 г.).

После этого данное явление долгое время оставалось как-то вне поля зрения физиков. И хотя в 1972 году американским физикам Джону Барлину, Ли Куперу и Джону Шрифферу удалось получить еще одну Нобелевскую премию – за теоретическое обоснование основ сверхпроводимости, физическая природа этого явления и сегодня во многом остается тайной за семью печатями.

Никто толком не знает, почему одни материалы при снижении их температуры ниже определенной отметки становятся сверхпроводниками, а другие – нет. Кроме того, никому пока не удалось получить сверхпроводимость при обычной комнатной температуре. Обычно сверхпроводники приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю (-273,15 °C), что достаточно хлопотно и дорого. Даже сплав на основе технеция, имеющий на сегодняшний день самую высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, нуждается в охлаждении до 11,2К. Поэтому о широком распространении в технике подобных сплавов долгое время не могло быть и речи.

Однако в 1986 году сотрудникам корпорации IBM Иоханесу Бернардсу и Карлу Мюллеру удалось открыть так называемые сверхпроводящие керамики – новый класс соединений, способных переходить из одного состояния в другое при менее низких температурах.

Так, керамика на основе кислорода, меди, бария и лантана, в обычных условиях вообще не проводящая электрический ток, приобретала сверхпроводимость уже при 58К! За открытие этого состояния, названного высокотемпературной сверхпроводимостью, исследователи были опять-таки удостоены Нобелевской премии.

А еще через год группа американских физиков, модифицировав состав керамики, получила сверхпроводимость при 92К! Это уже выше температуры кипения жидкого азота, получение которого относительно дешево. А потому, хотя физическая подоплека этого явления во многом так и остается непонятной, сверхпроводящие керамики уже начали применять в технике, например, для устройства сверхпроводящих магнитов в ускорителях.

Абсолютный рекорд на сегодня, кстати, составляет 138К. Он принадлежит соединению, состоящему из атомов кислорода, талия, бария, меди и ртути.

Впрочем, и у подобных металлокерамик есть свои недостатки. Во-первых, они очень дорогие. Во-вторых, очень хрупкие, и это затрудняет их применение. А потому физики из Национального центра научных исследований Франции в Гренобле под руководством Этьена Бустаре в поисках новых сверхпроводящих материалов провели недавно серию исследований с известным всем кремнием и получили материал, обладающий сверхпроводимостью при нормальном атмосферном давлении.

Что здесь примечательного?

Как известно, кремний имеет кристаллическую решетку сродни решетке алмаза и при комнатной температуре ведет себя как диэлектрик. В его структуре столь мало свободных носителей электрического заряда, что ток через него практически не идет. Однако электропроводность кремния можно изменять в широких пределах, вводя в него примеси других элементов.

Так, например, достаточно очень небольшого количества атомов бора или фосфора, чтобы сделать кремний электропроводным.

Уже при соотношении примеси 8 «чужих» атомов на 100 000 собственных кремний обретает свойства типичного металла. И теория предсказывала, что при более высокой концентрации примесей проводимость кремния может стать сверхпроводимостью. На практике же технологам почти шесть десятков лет не удавалось «втолкнуть» в кремний дополнительное количество атомов примеси. А потому для получения сверхпроводимости в кремнии его приходилось не только охлаждать почти до абсолютного нуля, но еще и подвергать колоссальному давлению – до 100 000 атмосфер!

Распределение примесей в кристаллической решетке.

Тем не менее, в конце 2006 года французским исследователям удалось повысить содержание примесей в кремнии в 10 000 раз. Каким же образом? Ученые пошли на некоторые хитрости.

Сначала кремниевую пластину поместили в газовую среду, состоящую из атомов бора. Когда бор осел на поверхности кремния, образовав тончайшую пленку, поверхность стали облучать импульсами ультрафиолетового лазера большой мощности. Кванты ультрафиолета расплавляли поверхность кремния и как бы «утапливали» в расплаве атомы примеси. При этом кремний остывал столь быстро, что не успевал толкнуть атомы примеси обратно на поверхность. Они оставались словно «заморожены» внутри кристалла. И с каждым последующим импульсом количество атомов примеси все возрастало…

Таким образом исследователям удалось довести концентрацию примеси до 4 %. Это и привело к тому, что хотя кремний по-прежнему приходится очень сильно охлаждать, но его сверхпроводимость наступает при нормальном атмосферном давлении.

Конечно, необходимость охлаждения все еще сдерживает широкое применение сверхпроводящего кремния в технике. Однако полученный материал дешевле других. Исследователи вовсе не закончили свою работу и надеются получить высокотемпературную сверхпроводимость. А она, в свою очередь, глядишь, приведет их к получению очередной Нобелевской премии.

И.ЗВЕРЕВ

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ВСЕ МЫ РОДОМ ИЗ… ЛУЖИ?Такую оригинальную гипотезу выдвинул недавно академик РАН Юрий Наточин. Он полагает, что вряд ли жизнь могла возникнуть в морской воде, как это принято считать. Ведь в ней содержится натрий, а он препятствует синтезу органических веществ. Калий, напротив, способствует синтезу. А этим химическим элементом, как известно, богата глина, которой довольно часто устлано дно небольших луж и пресноводных водоемов. Стало быть, по мнению академика, первые протоклетки появились на Земле примерно 3,5 млрд. лет тому назад именно в пресной воде, а не в морской.

ГЕН ВЫСОКОГО РОСТА.Группа исследователей из Гарварда, Оксфорда и некоторых американских клиник открыла ген, который помогает людям вырастать великанами. «Если ген под названием HMGA2 активен, то у человека больше шансов стать баскетболистом, – утверждает Тим Фреэйлинг, участвующий в исследованиях. – Однако активация лишь одного гена не гарантирует двухметровый рост. Видимо, кроме него, развитие человека обеспечивают еще и другие гены». Но исследователи рады и тому, что научились манипулировать с данным геном. Ведь его активация, как выяснилось, помогает излечивать болезни сердца, диабет и даже некоторые формы рака.

ВЕЛИКАНАМ ГРОЗИТ ВЫМИРАНИЕ?Неожиданное открытие сделали недавно российские ученые. Изучив геномы 110 видов млекопитающих разного размера, они пришли к выводу, что организмы большей массы быстрее накапливают в своем геноме вредные мутации, чем малыши. А потому, получается, что, например, слоны должны со временем или сильно уменьшиться в размерах, или вымереть, как то уже произошло с их ближайшими родственниками – мамонтами.

НА ПРОТЕЗАХ БЕЖАТЬ БЫСТРЕЕ?Двадцатилетний житель ЮАР Оскар Писториус недавно установил несколько мировых рекордов по бегу. В том не было бы ничего удивительного, если бы он не бежал на протезах.

Мальчик в свое время родился с недоразвитыми конечностями, которые пришлось ампутировать, и с младенческого возраста Оскар пользуется протезами. А получив относительно недавно сделанные по спецзаказу многослойные протезы из углеволокна, он побежал. Теперь эксперты гадают: быть может, это протезы с усиленной отдачей помогают ему столь шустро передвигаться?..

ЛЕВШИ ЛУЧШЕ ДЕРУТСЯ?Интересную особенность, связанную с лево– или праворукостью людей, обнаружили белорусские исследователи. Изучая скорость двигательных реакций у 400 добровольцев, среди которых было поровну левшей и правшей, ученые к своему собственному удивлению установили, что вопреки устоявшемуся мнению у левшей «резвее» правая рука, а у правшей – левая. Кроме того, левши быстрее соображают, а потому в драке их шансы выше.