Текст книги "Юный техник, 2011 № 04"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Странные материалы

В 1965 году на Международной химической выставке, проходившей в Москве, специалисты американской фирмы «Дженерал электрик» продемонстрировали вещество, внешне похожее на оконную замазку. Но стоило скатать из этой «замазки» шарик и бросить его на пол, он вместо того, чтобы прилипнуть, начинал прыгать чуть не до потолка. А когда шарик раскатывали в длинную ленту, словно жевательную резинку, потом резко дергали за концы, лента с треском рвалась. Когда обрывки ленты скатали снова в шарик и ударили по нему молотком – он разлетелся, как стеклянный, на множество осколков.

Впечатление было потрясающим: одно и то же вещество вело себя то как очень вязкая жидкость, то как упругая резина, то как стекло! Более того, оказалось, что некоторые сорта «прыгающей замазки» при комнатной температуре медленно растекаются по поверхности и даже способны проникать сквозь тончайшие отверстия.

«Безумная замазка» – как окрестили сотрудники лаборатории это странное дитя химии – доставило немало хлопот экспертам по сбыту готовой продукции. Наконец, они придумали: было решено продавать «замазку» как «игрушку для детей»…

Однако впоследствии этому «химическому курьезу» нашлись и другие, более практичные, применения. Из пластиков такого типа теперь делают, например, мячи для гольфа; ведь по упругим свойствам «безумная замазка» превосходит все известные резины. Этот материал применяют также в качестве специальных теплостойких клеев и замазок, звукопоглощающей изоляции, в демпферных (тормозящих) устройствах…

А недавно еще один материал с удивительными свойствами создан сотрудниками лаборатории полимерных материалов Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова (ИНЭОС) РАН. «У нас создан так называемый градиентный материал, – рассказал руководитель этого научного центра академик Юрий Бубнов. – Как он выглядит? Предположим, вы берете стержень. Один его конец прочен как сталь, а с другой – мягкий словно резина. Причем место перехода можно задать заранее».

Исследователи из ИНЭОС РАН предложили для получения материалов с регулируемыми свойствами синтезировать композиции из двух полимеров – высокоэластичного и стеклообразного. Причем простым совмещением двух полимеров, скажем, в одном расплаве или растворе таких свойств добиться невозможно. Приходится синтезировать два типа сетчатых полимерных структур, которые находятся в одном и том же материале в различных пропорциях.

Полимерные сетки ученые сконструировали сначала с помощью компьютерного моделирования. Были определены основные черты их химического строения и определены этапы синтеза. Затем весь процесс был осуществлен на практике. У полученных градиентных полимеров исследованы механические свойства, показавшие их реальную работоспособность. Так, полимеры на основе полиуретана могут работать, не размягчаясь и не разрушаясь, в интервале температур от -50 °C до +330 °C.

При этом материалы обладают высокой прочностью, эластичностью и износостойкостью.

Градиентные материалы можно использовать в медицине, обувной промышленности, бытовой технике, на промышленных предприятиях. Так совместно с Московским протезным заводом лаборатория уже провела первые опыты по созданию ортопедической обуви, в которой растягивающие нагрузки воспринимает эластичная часть градиентного полимера, а сжимающие – жесткая.

В медицине градиентные материалы могут быть использованы в качестве имплантатов. Есть также идея делать из такого материала шестеренки. На валу они будут жесткими, чтобы хорошо воспринять передающий момент, а зубья будут эластичными, чтобы передача была малошумной и не было опасности, что зубья раскрошатся при перегрузке.

ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА

«Горох» Вселенной или годятся ли преоны на роль «первокирпичиков мироздания»?

Любой атом, как известно, состоит из электронов, протонов и нейтронов. А те, в свою очередь, из множества частиц, которые в XX веке опрометчиво назвали элементарными. Ведь вскоре выяснилось, что сами «элементарные» частицы состоят из множества составляющих, могут превращаться друг в друга. И на сегодня такие частицы исчисляют уж сотнями. Понятное дело, «первокирпичиками Вселенной» они уж быть никак не могут…

Тогда, в 1964 году, американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Мюррей Гелл-Ман предложил на эту роль гипотетические частицы, названные кварками. Однако и здесь вышла незадача: сначала теоретикам было достаточно всего трех кварков, потом их стало шесть, а ныне и того больше…

Пришлось физикам ввести в обиход так называемую Стандартную модель, согласно которой все вещество Вселенной состоит из шести кварков и шести легких частиц – лептонов, не участвующих в так называемом сильном взаимодействии. (Типичным представителем класса лептонов является, например, электрон.)

Однако около 30 лет назад некоторые теоретики решили, что даже дюжина разных «кирпичей» – это слишком много. То есть было выдвинуто предположение, что лептоны и кварки, в свою очередь, состоят из более мелких частиц, названных преонами. Причем выходило, что для создания всех-всех-всех частиц нашего мира достаточно комбинаций всего из трех преонов.

Однако до сих пор ни одна из многих преонных теорий не была подтверждена на практике. Слишком много энергии потребовалось бы, чтобы расколоть кварк на преоны, и такого уровня нельзя достичь ни на одном из современных ускорителей. А то, что невозможно проверить, нельзя считать доказанным.

Но если преоны нельзя получить в ускорителях и прочих экспериментальных установках, то, может быть, их можно увидеть где-то на просторах Вселенной?

Ведь согласно нынешней канонической теории Большого взрыва, после которого будто бы родилась наша Вселенная, сначала в пустом пространстве появились лептоны и кварки. Кварки, остывая, объединились в протоны и нейтроны, те, еще подостыв и объединившись с электронами, образовали атомы, и так далее. Но почему бы тогда не предположить, что еще до лептонов и кварков образовались сначала преоны, а из них все остальное?..

В 2006 году шведские теоретики решили посмотреть на компьютерной модели, что будет, если считать, что из преонов образовались некоторые звезды. Компьютер показал: да, вовсе не все поголовно преоны могли участвовать в синтезе материи. Часть из них от такой участи могла увильнуть и затем образовать чисто преонные звезды. Существуют же ныне модели нейтронных звезд и светил из кварков… Чем же преоны хуже?

Расчет показал, что масса и размеры преонных звезд должны быть значительно меньше, чем у обычных звезд, – не больше сотни земных масс, но плотность гораздо выше, чем у нейтронных звезд и даже звезд из кварков.

Нижнего предела массы вроде бы нет, а потому ученые решили, что преонные звезды могут быть размером с… горошину, имея при этом массу чуть меньше, чем у Луны. Понятное дело, такой «горох», рассеянный по мировому пространству, весьма трудно заметить. Зато, между прочим, он оказался прекрасным кандидатом на роль темной материи.

И эти умозаключения так бы и остались очередной теоретической сказкой, если бы теперь авторы не объяснили, как такой преонный горох обнаружить.

Оказывается, подобные объекты будут хорошо работать как гравитационные линзы и отклонять лучи света, проходящие мимо них. Но в данном конкретном случае есть нюанс: преонные звезды будут хорошо взаимодействовать не со светом, а с гамма-квантами, которые время от времени рождаются в различных вселенских катастрофах вроде взрывов сверхновых. Правда, преонный «горох» не усилит гамма-сигнал, как обычная гравитационная линза, зато оставит характерный след в его спектре.

Другой способ обнаружения преонных звезд заключается в регистрации гравитационных волн. Их будут эффективно излучать две горошины, если они образуют пару и, как двойные звезды, начнут вращаться вокруг общего центра масс. Если такая пара окажется вблизи Солнца, то ее гравитационные волны будут столь сильными и высокочастотными, что их сможет зарегистрировать даже настольный прибор. Между тем, сегодня для этой цели применяются гигантские подземные детекторы гравитационных волн, которые пока ничего и не поймали.

И наконец, если небольшая преонная звезда столкнется с Землей, это событие можно будет зарегистрировать сейсмодетекторами. Горошина так мала и массивна, что просто пройдет нашу Землю насквозь, не причинив больших разрушений. Но на сейсмодетекторах должен остаться характерный сигнал.

Таким образом, теоретики подсказали, каким образом организовать охоту за преонами. Теперь очередь за экспериментаторами. Возможно, если проанализировать уже накопленный массив астрономических и сейсмических данных, в нем найдутся следы преонных горошин?..

Так или иначе, но ныне физики из Технологического университета Лулео (Швеция) предлагают хорошенько поискать преоны в окружающем нас мире. Глядишь, да кому-то повезет и он станет наконец-таки первооткрывателем «кирпичиков» Вселенной.

Публикацию подготовил Г. МАЛЬЦЕВ

Как устроен «Демон Максвелла»

Японским, физикам впервые удалось превратить информацию в энергию, реализовав таким образом на практике мысленный эксперимент, предложенный почти полтораста лет тому назад, пишет журнал Nature Physics.

Физики отмечают, что на создание данного эксперимента их вдохновил знаменитый «демон Максвелла». В 1867 году известный английский физик-теоретик Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, якобы опровергающий второе начало термодинамики.

Представьте себе, что имеются две емкости с газом, разделенные дверью, и некий демон-служитель, который способен открывать и закрывать эту самую дверь в нужные моменты. Предполагается, что демону известны скорости молекул – перед быстрыми он открывает дверь, а перед медленными, наоборот, закрывает. Таким образом, получается, что в одной емкости, например, правой, собирались быстрые молекулы и она нагревалась. А во второй – левой – накапливаются одни медленные молекулы, и она, соответственно, остывает.

В итоге выходит, что «демон Максвелла» позволяет нагреть один сосуд и охладить другой без дополнительного подвода энергии. В то же время Второе начало термодинамики утверждает, что самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому, невозможен.

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя «демона Максвелла» и оба сосуда. Ведь для того, чтобы сам «демон» действовал, ему тоже нужна какая-то энергия. За счет ее и происходит весь процесс. Стало быть, никакого парадокса не существует.

Но все-таки, как же японские исследователи осуществили свой эксперимент? В рамках работы ученые поместили две продолговатые бусинки из полистирола размером около 300 нанометров каждая в специальный раствор, который сами организаторы эксперимента назвали буферным.

Одна из бусин была прикреплена к стеклянной подложке, а вторая могла свободно вращаться вокруг первой – бусина двигалась под ударами молекул буферного раствора, в который была погружена вся система. Молекулы буфера приблизительно с равной частотой ударяли по бусине с разных сторон, заставляя вращаться то по часовой стрелке, то против.

Исследователи могли препятствовать вращению бусины в одном из направлений, прикладывая напряжение к электродам, расположенным на стеклянной подложке.

В создаваемом электромагнитном поле из диэлектрического материала бусине было энергетически выгоднее вращаться только в одном из возможных направлений. При этом ученые наблюдали за движением бусины при помощи микроскопа, оснащенного камерой для высокоскоростной съемки. Когда бусина вращалась против часовой стрелки, они прикладывали к электродам напряжение так, чтобы возникающее поле не давало ей совершить оборот в обратном направлении.

Сами авторы проводят аналогию между созданной ими системой и подъемом бусины по винтовой лестнице: каждый оборот против часовой стрелки соответствовал перемещению на одну ступеньку вверх. То есть спустя некоторое время после начала эксперимента бусина как бы поднималась до конца лестницы при том, что притока энергии в систему извне не было – ученые только меняли направление поля в зависимости от поступающей информации о системе. При этом сами физики не скрывают, что основой для эксперимента стали теоретические выкладки французского физика Лео Сциларда, опубликованные им в работе 1929 года, где он описал гипотетическую машину, которая позволяет превращать имеющуюся в системе информацию в энергию. Однако машина Сциларда не может быть использована для создания «вечного двигателя», способного, например, превращать в электричество пустопорожнюю болтовню.

Японские ученые подчеркивают, что закон сохранения энергии не нарушается в их эксперименте, поскольку для работы компьютеров и камер, а главное, для создания электромагнитного поля требуется электрическая энергия. Вместе с тем непосредственно передачи энергии самой бусинке не происходит; стало быть, в рамках эксперимента происходит превращение информации в энергию.

Эксперимент японских ученых и его схема.

Исследователи даже подсчитали, что при комнатной температуре 1 бит информации в созданной ими машине Сциларда давал 3x10²¹ джоулей энергии. Казалось бы, очень немного. Однако исследователи полагают, что и этой энергии вполне достаточно, чтобы заставить двигаться, например, наноробота – переносчика лекарств.

Ведь КПД созданного ими устройства – около 28 %. Это не так уж мало – ведь КПД самых лучших двигателей внутреннего сгорания не превышает 40 %.

Ученые не исключают, что в будущем разработанный ими принцип позволит создать системы, в которых размеры и управляемого объекта (например, наномотора), и «демона» не будут превышать сотен нанометров.

Кстати, для того чтобы представить себя «демоном Максвелла», вовсе не обязательно мысленно сжиматься до размеров молекул. Любая живая система в некотором роде представляет собой такого «демона», ежесекундно пытаясь воссоздать порядок из окружающего ее хаоса.

Публикацию подготовил С. СЛАВИН

КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА
Великая стена в космосе

Так уж, видно, устроен человек, что в любом хаосе он старается обнаружить некую систему. Казалось бы, звезды на небосклоне разбросаны, как придется, но уже древние астрономы для облегчения запоминания положения светил стали собирать их в созвездия и галактики, присваивая им звучные имена – Кассиопея, Большая Медведица, Андромеда, Млечный Путь… И такое «вселенское строительство» продолжается и поныне…

Скажем, еще сравнительно недавно считалось, что галактики, в том числе и наша – Млечный Путь, – разлетаются от центра, где некогда случился Большой взрыв, в хаотическом беспорядке. Однако в 70-е годы XX века группа эстонских астрофизиков под руководством академика Я.Э. Эйнасто обнаружила, что отдельные галактики, словно кирпичи в стене, образуют более сложные системы, названные гипергалактиками.

Кто-то из журналистов, пишущих на научно-популярные темы, заметил, что при некотором воображения можно представить эти гипергалактики в виде пчелиных сот. С его легкой руки их так и стали называть – «соты Вселенной». Но соты в ульях, как известно, располагаются в рамках. Подобные «рамки», похоже, найдены и во Вселенной. Когда ученые Гарвардского университета, используя современные астрономические инструменты, попытались составить объемную карту Вселенной, обнаружилось, что гипергалактики действительно группируются в еще большие образования.

Одно из них получило название Великой стены. Наверное, потому, что назвать «рамкой» некое образование из тысяч галактик, подобных Млечному Пути, имеющее длину полмиллиарда, ширину 200 миллионов и толщину 15 миллионов световых лет, ученым показалось несолидно.

«Великая стена – самая крупная структура, обнаруженная в 90-е годы прошлого столетия, – вспоминала одна из составителей карты, Маргарет Геллер. – Ее существование оказалось для астрономов большой неожиданностью. Тем не менее, приходится смотреть правде в глаза: по мере того как при изучении Вселенной мы переходим ко все более крупным масштабам, увеличиваются и структуры, которые мы обнаруживаем…»

И похоже, М. Геллер совершенно права. Об этом можно судить по сообщению международной группы астрономов, работающих в чилийских Андах, где расположены самые мощные на сегодняшний день наземные телескопы. Им удалось разглядеть на полученных в конце 2009 года снимках волокнистую структуру из галактик, расположенную в 6,7 млрд. световых лет от Земли.

Полученные изображения подтвердили версию о том, что вещество во Вселенной распределяется не равномерно, а образует объемные структуры. На сей раз, по мнению наблюдателей, им удалось разглядеть нечто похожее на супергигантскую паутину, протяженность радиальных нитей которой составляет порядка 60 млн. световых лет. Впрочем, возможно, структура простирается и дальше, но столь далеко наши телескопы пока не видят.

А на пересечении «нитей» кое-кто из наблюдателей даже обнаружил некие кластеры, по их мнению, похожие на гигантских пауков.

Теперь исследователи детально изучают полученные снимки и гадают, как именно могла образоваться подобная структура.

С. НИКОЛАЕВ

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ИЗОБРЕЛИ «АНТИМИКРОСКОП». Сотрудники Военного университета в Мюнхене создали микроскоп, в котором используется антиматерия. С помощью нового прибора теперь можно увидеть дефекты кремниевых чипов, не различимые иными способами.

Вернер Трифтшузер, один из изобретателей «антимикроскопа», так пояснил суть метода. Радиоактивный изотоп натрия испускает позитроны, которые по сути представляют собой антиэлектроны. Попадая в исследуемый материал, они моментально аннигилируют, вступая в реакцию с электронами. При этом возникают вспышки, которые появляются позже там, где электронов мало, то есть как раз в точках дефектов.

СКОЛЬКО ЛЕТ ВЫ ПРОЖИВЕТЕ? Конечно, каждому хотелось бы дожить до 100 лет, но насколько это реально лично для вас? Это и берутся установить за соответствующую плату генетики Бостонского университета с точностью до 77 %.

В основе их методики лежит анализ статистики. Исследователи во главе с профессором Томасом Перлсом проанализировали геномы 1055 представителей европеоидной расы, чей возраст превышал 100 лет, но здоровье еще было вполне крепким. Затем эти геномы сравнили с геномами более молодых людей, а также тех стариков, которые страдали болезнью Паркинсона и иными старческими заболеваниями.

На основе этого они выявили группу генов, которые, по идее, отвечают за долголетие. Таким образом, если при генном анализе выяснится, что в вашем организме имеются какие-то из 33 вариантов генов и 19 характерных их сочетаний, которые встречаются только у долгожителей, то и у вас есть неплохие шансы пожить подольше.

ЭНЕРГИЯ ИЗ СВЕТА. Ученые из Брукхейвенской и Лос-Аламосской лабораторий министерства энергетики США создали тонкие прозрачные пленки, способные поглощать свет и генерировать электроэнергию. Новый материал, как указывается в пресс-релизе, представляет собой полупроводниковый полимер с примесью богатых углеродом фуллеренов. В особых условиях он обладает способностью самопроизвольно собираться в ячеистую структуру довольно большой площади, которая и перерабатывает столь эффективно свет в электричество, подобно зеленым листьям.

Как сказал один из руководителей работы, Мирча Котлет, новая технология в скором будущем позволит построить дома с окнами и крышами из подобного материала, которые не будут нуждаться в посторонних источниках энергии или, по крайней мере, существенно сократят расходы хозяев на нее.

А КОФЕ ТУТ НИ ПРИ ЧЕМ. В США обнародованы результаты любопытного исследования. По мнению специалистов Университета Джона Хопкинса, употребление кофе не приводит к повышению кровяного давления. Во всяком случае, две чашки кофе в день не развивают у человека гипертонию.

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Шестиногий дровосек и его предшественники

Помните знаменитые шагающие танки из космической саги «Звездные войны»? У подобных машин были реальные прототипы.

Попытки создать подобные машины военные начали предпринимать чуть ли не за полвека до появления знаменитой киноэпопеи Джорджа Лукаса. Специалистам давно известно: около 70 процентов земной территории недоступно для колесной и даже гусеничной техники. А потому еще в июле 1929 года на одном из заседаний Революционного Военного Совета один из присутствующих потребовал от конструкторов, чтобы новый советский танк был снабжен «коленчатыми лапами с шипами для перелезания через стенки и движения в условиях гор, покрытых снегом…». Остается только догадываться, какой фурор произвели бы подобные стальные монстры, доберись они до поля боя.

Впрочем, и этот стальной монстр не был самым первым. Едва освоив основы механики, человек начал задумываться и над применением шагающего механизма в качестве движителя для транспортного средства. Логика была простая: ноги – не колеса, они проходят везде.

Правда, долгое время сложность механики и гидравлики, обеспечивающей кинематику движения, приводила к тому, что многие любопытные задумки так и остались на бумаге. Тем не менее, время от времени из гаражей и мастерских по всему миру в прямом смысле выходили весьма необычные конструкции.

Так, еще в 1917 году русский военный инженер П. А. Орловский запатентовал конструкцию машины под названием «Паук», с ногами вместо колес. Дальше патента, судя по всему, дело не продвинулось. И само изобретение, и его создатель – оба затерялись в неразберихе Гражданской войны.

Шестилапый дровосек в лесу проходит среди деревьев даже на пересеченной местности.

А вот в Германии в 1924 году был построен шагающий грузовик грузоподъемностью 5 т. Конструкторы снабдили машину четырьмя утюгообразными башмаками, которые попарно выдвигались вперед, а затем опускались и служили опорой, в то время как другая пара «утюгов» приподнималась и двигалась вслед за первой. Башмаки приводились в действие зубчато-реечными механизмами и перекатывались на роликах по специальным направляющим.

Представление о неповоротливости и громоздкости этого шагающего чудища было опровергнуто на первых же испытаниях. Машина легко перешагивала канавы и рвы шириной до 1,4 м, шла со скоростью 3 – 10 км/ч по самой пересеченной местности, а радиус поворота составлял всего 2 м. Но все же конструкция оказалась слишком сложной и тяжелой. Так что и этот шагоход-грузовоз остался лишь одним из курьезов в истории создания вездеходов.

И в США некоторое время велись разработки небольших шагающих грузовиков. Однако после постройки у конструкции всплыл еще один неожиданный, но досадный недостаток. Оказалось, что водителя шагохода при движении страшно укачивает. Дело дошло до того, что пришлось сделать для водителя выносное управление: он шел впереди и «вел» грузовоз за собой с помощью специальной длинной ручки с кнопками и переключателями на конце.

Шагающий грузовик обладал грузоподъемностью 1,25 т и предназначался для работы в горах вместо вьючных животных. Ведь, скажем, те же вертолеты способны летать в горах далеко не всегда и не всюду, а лошадь не может нести на вьюке больше чем 150–200 кг. Однако испытания показали, что и механический «мул» движется не очень быстро. А главное, расход горючего у него очень большой, а моторесурс весьма мал из-за быстрого износа всех сочленений в «ногах» и частой поломки самих ног, застревающих между камнями.

Появление компьютеров, которые взяли на себя управление движением, придало новый импульс создателям шагоходов. Управлять новыми машинами теперь практически не нужно: они движутся, выбирая путь и походку самостоятельно. Это убедительно доказывает, например, шагающая машина, созданная американцем Сазерлендом. Она имеет шесть ног, которые приводятся в действие гидравлическим приводом, а управление движением самих ног осуществляет микропроцессор. Источник энергии – двигатель внутреннего сгорания мощностью 18 л.с. Расчетная скорость 4 км/ч.

В нашей стране шагоходами многие годы занимались конструкторы Ленинграда и Москвы. Так, в Институте механики при МГУ в свое время была создана МАША – машина шагающая – и несколько других любопытных конструкций, в том числе шагоход-пожарный, способный лазать по вертикальным поверхностям. Однако дальше экспериментальных образцов дело пока не движется.

На сегодняшний день единственным в своем роде предсерийным образцом является железный монстр о шести конечностях. При ближайшем рассмотрении оказывается, что это не что иное, как харвестер – многофункциональная лесозаготовительная машина. Собственно, харвестерами никого не удивишь, но обычно они передвигаются на колесах и на гусеницах. Шагающий вариант был создан в 1995 году компанией Plustech – научно-техническим подразделением компании Timber-jack Оу, которая ныне входит в корпорацию John Deere. Четыре года спустя появился модернизированный концепт, однако серийно и эти машины до сих пор не выпускаются, хотя и неплохо зарекомендовали себя на лесозаготовках.

Шагоход Одекс-1 способен самостоятельно ходить по лестницам.

Шагающий харвестер умеет двигаться вперед, назад, вбок и по диагонали. Если он встречает препятствие – например, упавший древесный ствол, то просто через него перешагивает. Кроме того, ходячий дровосек наносит меньший ущерб лесной почве, нежели техника на колесах и гусеницах, не оставляет за собой глубокой колеи.

Так почему же шагающие харвестеры до сих пор не вытеснили с лесозаготовок своих менее прогрессивных собратьев? Дело в высокой стоимости таких механизмов и их низкой надежности – ведь действиями шагающих «лап» управляет сложнейшая автоматика.

По материалам журнала «АСД техника»