Объяснить ракетостроение в паре слов

Пять представителей науки вспоминают удачные примеры и аналогии, с которыми легко разжевать сложную тему.

Материал подготовлен при поддержке Science Bar Hopping

научный сотрудник центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС», генеральный директор «Биомиметикс»

В физической химии есть понятие химической активности компонента в неидеальном растворе. Практика показала, что на лекциях многие не понимают, что это за «активность», поэтому рассказ приходится строить на примере аналогии. Её когда-то придумал мой научный руководитель Сергей Калошкин.

Сперва пример про идеальный раствор. Представим, что раствор — это полупустой вагон метрополитена. В нём сидит десяток человек: все находятся на расстоянии друг от друга и не вступают в контакт. Достаточно пересчитать их количество, чтобы получить концентрацию идеального раствора.

А теперь предположим, что наступил час пик, и вагон до отказа набит пассажирами. Они меняются местами, толкаются, перекидываются репликами, и пренебречь этими действиями нельзя. Каждое проявление характера пассажиров — это и есть активность компонентов, которая мешает сходу оценить раствор.

Вагон может казаться шумным, но это всего лишь небольшая нетрезвая компания, которая не умеет себя вести — это положительная активность. Есть и отрицательная: множество тихих старушек, которые ни к кому не пристают — на фоне бушующих молодых людей их легко не заметить. Таким образом, в неидеальном растворе надо учитывать не просто концентрацию, а активность компонентов.

Другой пример: сверхмолекулярный полиэтилен, который применяется, например, в бронезащите и медицине. У него выдающиеся свойства благодаря очень длинной, по сравнению с обычным полиэтиленом, молекуле. Но проще представить это следующим образом.

Есть клубок нитей, который мы скатали случайным образом. Если нитки короткие, то не составит особого труда выдернуть как отдельную нить из общего клубка, так и растащить его полностью, потянув руками в разные стороны. Никаких усилий это не стоит, а нитки при этом не рвутся.

Наша задача: усложнить выдёргивание нитей, то есть реализовать существующую прочность связи углерод-углерод в молекулярной цепи полиэтилена. Для этого мы используем нити подлиннее — при их случайном запутывании, они начнут цепляться и друг за друга, и даже за себя самих. Последнее легко иллюстрируется: все знают, что происходит с проводными наушниками в кармане.

Растащить клубок длинных нитей очень непросто, скорее всего, придётся его разрывать. Ровно это и есть эффект длинных молекулярных цепей, которые образуют множество зацеплений. Такие топологические препятствия из зацеплённых нитей-молекул называются физическими сшивками.

исследователь Арктики, магистр геофизики Норвежского университета наук и технологий

Есть мнение, что программирование — это очень сложно, непонятно и скучно. Я и сам так думал на протяжении всей жизни, пока не оказался в одном общежитии с норвежцем, который изучал кибернетику.

Бывает, что сидишь в кафе и заглядываешь через плечо айтишника, который сидит рядом — там одни длинные строчки разных цветов, которые составлены из ничего не значащих английских слов. «Наверное, хакер» — думаешь про себя и продолжаешь отпивать ванильный раф.

Картина преображается, если вспомнить, что языки программирования — это в первую очередь языки. Или разговорные способы объяснить компьютеру, что от него нужно. В них тоже есть синтаксис — слова и предложения, но нужно хорошо понимать, с кем мы разговариваем, быть максимально конкретным.

Разговор с компьютером можно представить так:

Для него это такая же нелепая просьба, как если бы нас попросили мгновенно решить все проблемы человечества. Нужно обратится к машине, как к маленькому ребёнку, которому нужно детально всё объяснять: «подними ногу на 15 сантиметров, сделай это за шесть секунд, сгибая сустав на 11 градусов». Смысл не меняется — это всё ещё просьба, просто она стала более конкретной.

Когда до меня дошло, что с компьютером можно общаться без «переводчика» — программ с графическим интерфейсом, показалось, что теперь я владею суперспособностью. Мне открылась полная свобода: хочешь смоделировать токийское землятрясение — пиши код, хочешь график расходов в супермаркете — пиши код, хочешь что угодно — вы поняли.

старший научный сотрудник отдела физики Солнца и солнечно-земных связей Института земного магнетизма и распространения радиоволн

На банкете после совместной конференции для учёных и бизнесменов мне довелось объяснять, как меняется свет при прохождении сквозь диспергирующие среды. Собеседником стал не очень трезвый, но очень воодушевлённый банкир, который решил узнать, как устроен мир на самом деле — если по-честному, не для школьников.

Под жажду откровений подвернулась такая ассоциация: караван из автомобилей, на которых компания друзей едет на дачу. Пока они летят по скоростному шоссе, они не встречают никаких препятствий и двигаются в соответствии со скоростным лимитом. Но затем они сворачивают к дачному посёлку, а дорога начинает ухудшаться. В итоге одни еле двигаются, другие — плетутся за огромным грузовиком, который нельзя объехать, а третьи — уже на месте и ждут остальных. И все потеряли время, пытаясь справиться с дорожными условиями, которые заметно ухудшились.

Свет, который излучает Солнце — это набор разных волн: часть из них мы можем увидеть глазами, а от других, например, приходится спасаться солнцезащитным кремом. Пока они летят в вакууме, они вместе несутся с огромной скоростью. А затем попадают в разные среды: воздух, воду или стеклянную призму учёного — в такие моменты их скорость падает. Опытным способом учёные могут замедлить луч света до скорости полёта птицы, то есть в миллионы раз. Это только вопрос создания подходящей среды.

Диспергирующие среды — это условия, при которых поведение света с разной длиной волны может быть разным. В нашем примере всё зависит от навыков или автомобиля: на просёлочной дороге уже не получится двигаться вместе, и кто-то будет чувствовать себя уверенней, а кто-то начнёт подтормаживать.

ассистент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений РХТУ имени Менделеева

Что думают люди, когда слышат слово «порох»? В лучшем случае вспомнят про пороховницы и спросят «есть ещё?». Многие считают, что это безнадёжно устаревшее изобретение, но совершенно напрасно.

История чёрного (дымного) пороха тянется с девятого века, да и многие его предназначения сохранились с момента, когда китайцы его придумали — та же пиротехника и стрельба из оружия. Но, как Гендальф из серого стал белым, так и порох из чёрного стал «белым», из дымного – бездымным.

Это произошло в 19 веке и связано с мощным развитием химии, открытием нитроцеллюлозы и нитроглицерина. Альфред Нобель, например, сколотил на производстве нитроглицерина и динамита своё состояние, которое легло в основу Нобелевской премии. Сейчас пороху нашли место в пожаротушении, геологической разведке, оживлении нефтяных скважин и даже борьбе с градом — в небо отправляется ракета на специальном топливе, которое меняет заряд частиц в облаках и преждевременно вызовет осадки там, где они не опасны.

Любопытно, что современную технологию приготовления пороха можно сравнить с готовкой булочек. Пока в муку не добавить яйцо, это просто бесформенный порошок, и лепкой мокрыми руками ему не придать форму. В основе современного пороха или твёрдого топлива лежит полимер, как правило, жёсткий. В него следует добавить пластификатор, который придаёт пластичность и позволяет получить нужную форму.

Чаще всего пороха имеют цилиндрическую форму: получаются шашки диаметром от сантиметра до нескольких метров. Можно сделать и в виде звёздочки, а при желании действительно слепить пороховую булку — залить отверждаемое топливо в заранее заготовленную форму.

Мука — это неорганический окислитель. Он тоже белый, да и в смесевых топливах его не меньше половины. В некоторых видах — до 90%. Благодаря окислителю становится возможно горение.

Как и на кухне, важна последовательность, выбор и точность дозировки «ингредиентов», иначе порох будет работать не так, как мы ожидаем. Гурманы понимают отличие гречневой и овсяной муки — из чего-то сложнее сделать оладьи, нужно подбирать пропорции, менять порядок смешения.

Как и в булочках, в порохе есть масло — вазелиновое или индустриальное, а также различные сыпучие добавки — стабилизаторы и, например, катализаторы. Всё для того, чтобы изделие летело дальше и дольше, но с нужными характеристиками.

психофизиолог, лектор культурной платформы «Синхронизация», лектор и ментор Школы лекторов фонда «Эволюция»

Мы познакомились с Владимиром Абрамовичем Шухманом в начале моего седьмого класса. Дальше я буду назвать его просто Абрамычем, как он сам разрешал всем ученикам. Тогда я перешла в новую школы после одной из лучших физико-математических школ Москвы и была абсолютно уверена, что физику знаю просто превосходно. Но Абрамыч в нашу первую же встречу показал мне, что знание физики ни в коем случае не сводится к знанию формул. Он всегда был готов подсказать любую формулу хоть на годовой контрольной работе.

Формулы — это лишь ширма, а понимание физики — это умение видеть, что за ней скрыто, реальный смысл формулы, как она описывает окружающий мир. Абрамыч видел этот мир, понимая скрытый физический смысл за всем происходящим, и поэтому с ним было страшно интересно прогуливаться вокруг школы во время большой перемены.

Он качался с нами на качелях и, пересаживаясь то ближе, то дальше от центра, показывал, как плечо рычага влияет на то, с какой силой нужно качаться. Он раскручивался с нами на карусели, а заодно рассказывал про движение тела по окружности. Как-то раз он посмеялся, что все мамы с колясками с точки зрения физики неправильно их везут: если нарисовать векторы всех сил и сложить их, окажется, что папы эффективнее. Если папа везет ребёнка за собой, а во второй рукой держит газету, то прилагает меньше усилий, чем мама, которая толкает коляску впереди себя.

А теперь представьте, сколько всяких интересностей происходило в метро. Поведение людей, стоящих в очереди на эскалатор, вполне себе предсказывается формулами для поведения жидкости в сужающемся сосуде. И самое частое в метро — это эффекта Доплера. Когда читаешь общее определение, вообще ничего непонятно:

Но потом Абрамыч быстро объясняет тебе, что такое волны, напоминает, что звук — это тоже волна, а частота звука определяет его высоту. Когда поезд приближается к станции, он издает очень высокий звук, а когда останавливается — звук резко идёт вниз. Абрамыч со своим музыкальным слухом мог определить, на какую платформу подъехал поезд, еще стоя на эскалаторе, когда ничего не было видно. С тех пор мы все начали тренироваться так делать. И должна признаться, я до сих пор временами это делаю и каждый раз вспоминаю Абрамыча.

Он показал мне, как прекрасна физика и, хотя я не стала заниматься физикой, как была уверена в детстве, а больше ушла в когнитивную психологию, мне до сих пор пригождаются его уроки и умение видеть за формулой настоящий физический смысл. А над столом у меня висит уже немного выцветшая фотография Абрамыча, где он по-доброму грозит кулаком и напоминает «plus ultra»: продолжай развиваться и двигаться вперед. И я уверена, что еще большое количество выпускников с таким же теплом вспоминают нашего любимого Владимира Абрамовича.

Все учёные из этой статьи выступают на Science Bar Hopping — серии научно-популярных лекций, которая раскинется по столичным барам 1 сентября. Всего их 38, а спикеры выступают на самые разные темы — от обзора флейт первобытных людей до редактирования генома. В марте на лекции сходил главный редактор TJ Никита Лихачёв и описал свои впечатления в статье.

Science Bar Hopping организуют Фонд инфраструктурных и образовательных программ (группа «Роснано») и издание «Бумага» при поддержке компании «Газпром нефть».

Для посещения каждой лекции достаточно регистрации.