Как разрушать смерчи

Множеству невероятных природных явлений — стоячим воздушным волнам, циклонам и особенно смерчам — некоторые специалисты пытаются найти объяснение, исходя из предположения о скоростях порядка тех, которые имеют место при взрывах.

Чтобы внести ясность, допустим, что один фунт динамита, заполняющий весь объем снаряда, воспламенился. Максимальная расчетная скорость (см. примечание А с вычислениями в конце статьи), достигаемая в предполагаемом выходном отверстии, составляет 11 400 футов в секунду, что, очевидно, намного превышает скорость на входе. Однако при таком взрыве газы выбрасываются через полусферическое отверстие большой площади с соответственно меньшей скоростью, которая затем снижается в процессе сообщения ускорения атмосферному воздуху. Таким образом, на небольшом расстоянии от центра взрыва стоячая волна идет впереди со скоростью звука, то есть 1 089 футов в секунду.

Никола Тесла

Я имел много возможностей проверить эту величину, исследуя взрывы и разряды молний. Идеальный случай такого рода представился в Колорадо-Спрингс в июле 1899 года, когда я проводил испытания своей радиовещательной станции (единственной беспроводной станции, существовавшей в то время). Тяжелая туча нависла над горной грядой Пайкс-Пик, вдруг на расстоянии всего десяти километров в вершину горы ударила молния. Я тут же засек время вспышки и, сделав быстрый подсчет, сообщил своим ассистентам, что стоячая волна дойдет через 48½ секунды. Именно через такой промежуток времени страшной силы удар потряс здание; не будь оно прочно укреплено, его снесло бы с фундамента. Все окна и дверь на стороне, попавшей под удар, были разбиты, сильно пострадали внутренние помещения. Сравнивая энергию электрического разряда и его длительность, а также энергию взрыва, я приблизительно подсчитал, что удар был, по-видимому, эквивалентен взрыву двенадцати тонн динамита. Хотя механические воздействия разрядов молнии уменьшаются пропорционально квадрату расстояния, их, тем не менее, можно отчетливо прослеживать в радиусе шестисот миль.

Давнишняя идея расстреливания смерчей на воде была в принципе верной, но не соответствующей по силе [применяемых средств]. Да, согласно приводимым здесь расчетам, силу смерча можно преодолеть с помощью современных взрывчатых веществ, которые можно было бы эффективно и без риска применять указанными способами

Следует помнить, что эти действия происходят за очень короткое время и что постоянный ветер, имей он такую скорость, несомненно, произвел бы страшные разрушения. Он мгновенно выветрил бы и измельчил самые твердые вещества, силой трения и удара расплавил бы металлы и сжег бы всё, что может гореть. Предметы, какими бы большими и тяжелыми они ни были, оказались бы подхваченными и унесенными, словно перышки, и даже горная гряда не смогла бы противостоять ветру какое-либо значительное время, так как давление на поверхность, перпендикулярную направлению потока сжатого воздуха, составило бы около трех тысяч фунтов на квадратный фут. Обитатели нашей планеты, несомненно, имеют все основания поздравить себя с тем, что такие ураганы невозможны, но и те смерчи, что происходят в настоящее время, достаточно вредоносны.

Дело в том, что относительно невысокая скорость ветра вполне способна произвести означенные действия, хотя они, на первый взгляд, и могут вызывать изумление и приводить в замешательство. В качестве примера рассмотрим механический эффект, который может произойти, если стебель высохшей травинки или соломинку с силой метнуть перпендикулярно в деревянную планку со скоростью лишь 150 футов в секунду (см. примечание В). Сила 2 929,5 фунта на квадратный дюйм намного превышает порог прочности планки, при этом компрессионное сопротивление дубовой доски, перпендикулярное структуре дерева, составляет менее половины этой величины. Отсюда очевидно, что эффект такого рода можно с уверенностью ожидать при гораздо меньшей скорости, особенно если стебель заострен.

В этой связи представляет интерес классический эксперимент, который обычно демонстрировали студентам в некоторых европейских учебных заведениях. Он заключался в том, что из ружья выстреливали сальной или стеариновой свечой в доску толщиной 0,4 дюйма. К изумлению зрителей мягкий снаряд не только проходил сквозь древесину, но и не производил впечатления неподходящего предмета для выстрела. Секрет успеха объяснялся скоростью прохождения, не оставляющей свече времени для изгиба. Вывод очевиден: воздействие урагана всегда чревато опасностью для жизни, так как куски летящих предметов, не исключая и фрагментов соломы, могут глубоко проникать в тело. Если моя память служит мне исправно, я читал о серьезных травмах такого рода. Но самые высокие скорости воздушных потоков, наблюдаемых в ураганах, сами по себе недостаточны, чтобы объяснить некоторые потрясающие трюки в исполнении ветра, например, поднимание в воздух груженых вагонов и локомотивов и отбрасывание их на большое расстояние. Когда я много лет тому назад впервые прочитал такие сообщения, они позабавили меня, так как я принял их за очередную американскую газетную утку, какие часто преподносятся простодушным иностранцам. Когда же, к своему несказанному изумлению, обнаружил, что они достоверны, я снова и снова пытался объяснить их с точки зрения теории и подтвердить расчетами, но лишь недавно решил эту давнишнюю загадку.

Вверху показано, как формируется смерч; он вращается так же, как сточные воды и верхняя часть [водной воронки]. Огромная скорость вращения дает смерчу возможность совершать многие из описанных аномальных действий, например, когда мягкая свеча, не повреждаясь, простреливает твердую доску

Вихревые движения атмосферы известны и наводят ужас с незапамятных времен, но кроме отчетов об их разрушительных действиях, большей частью сомнительных, нет почти никакой точной информации. В 1862 году Г.-В. Дове опубликовал работу под названием «Закон урагана», рассматривая в ней, главным образом, циклоны, которые часто охватывают значительные территории земного шара и перемещаются на тысячи миль, пока не растратят свою энергию. Их изучение не составляет большого труда, и связанные с ними основные факты теперь общеизвестны. Не таковы несравнимо более опасные локализованные ураганы, истинные смерчи, внезапные, блуждающие, скоротечные, чрезвычайно опасные и трудные для исследований.

В последние годы Бюро погоды и Смитсоновское общество Соединённых Штатов дают заслуживающую доверия информацию в связи с этой проблемой, тем не менее наши познания о смерчах всё еще фрагментарны. Не придавая особого значения газетным описаниям событий, которые бывают не вполне достоверными, и опираясь на проверенные факты, я пришел к определенным выводам относительно этих явлений, которые можно суммировать следующим образом:

1. Максимальная скорость воздуха, образующего воронку, вероятно, никогда не превысит, скажем, 235 футов в секунду, или около 160 миль в час, что, полагаю, вполне достаточно, чтобы объяснить все наблюдаемые явления. В своем «Руководстве по метеорологии», исчерпывающем труде, недавно опубликованном, сэр Уильям Напьер Шоу утверждает, что возможны скорости 300 миль в час, или 440 футов в секунду, и даже более, но в действительности это маловероятно. Следует помнить, что воздушный поток, имеющий скорость 150 футов в секунду, без труда уносит кирпичи и другие такие же тяжелые предметы.

2. Вопреки распространенному представлению, приписывающему смерчу огромную энергию, он имеет немало характерных особенностей взрыва. Его мощность велика вследствие концентрации и быстроты действия, но энергия удивительно невелика. Итак, чтобы получить приблизительное соответствие, рассмотрим вихрь с наружным диаметром 1 200 футов в верхней части, примерно с такой же высотой и диаметром 300 футов в основании (см. примечание С). Для получения такой же энергии потребовалось бы 1,24 тонны бензина, или 5,74 тонны динамита. Следует, однако, заметить, что эта оценка значительно завышена, так как воронка не заполнена целиком воздухом одинаковой плотности, и не вся она вращается с максимальной скоростью.

3. Вихревое движение смерча — своего рода огромный насос, втягивающий воздух через отверстие в верхней части и выпускающий его в противоположном конце с постоянной скоростью, одновременно вызывая разрежение во внутренней части. В этом отношении его действие может быть уподоблено работе многоступенчатого вакуумного насоса, ибо когда воздух устремляется из верхней части к основанию, всё больше и больше его увлекается к периферии окружности, увеличивая постепенно вакуум, который может таким образом достигать верхних значений вблизи земли. Этим объясняется последовательное сжатие вихря. Какова степень фактически достигаемого разрежения внутри этого чудовищного изобретения природы, можно примерно представить, если принять во внимание, что в каждом горизонтальном сечении воронки центробежная сила воздуха уравновешивается противоположно направленным дифференциальным давлением снаружи и изнутри вихря. При равенстве прочих показателей центробежная сила обратно пропорциональна радиусу круговращательного движения (среднее расстояние массы от центра), следовательно, сжатие воронки — это хотя бы какое-то приблизительное мерило разрежения.

К примеру, если диаметр вблизи земли составляет одну четвертую диаметра у вершины, то можно с уверенностью сделать вывод, что разрежение в нижней части должно примерно в четыре раза превышать оное в верхней зоне, где не происходит существенного сжатия.

Поскольку измеренная разность давлений в насосах несколько больше, чем вычисленная по формуле (примечание D), то вполне допустимо предположить, что в рассматриваемом случае разрежение может составлять не менее четырех дюймов.

4. Как правило, бóльшая часть механических воздействий смерча в значительной степени усиливается участием воды, пыли, песка и других предметов, несомых воздушным потоком. Хотя процентное содержание этих веществ в общем объеме может быть очень небольшим, они в сотни тысяч раз тяжелее воздуха и могут в огромной степени увеличить количество движения и усилить мощь удара.

5. Поступательное движение воронки, как обычно считают, происходит скорее наперерез, а не в направлении ветра. Это объясняется ее быстрым вращением, которое является причиной так называемого эффекта Бернулли, или Магнуса, только гораздо более интенсивного. Сила, толкающая ее наперерез ветру, может многократно превышать другую, побуждающую ее перемещаться по ветру. Вихрь движется от зоны более высокого статического давления, где вращение происходит против ветра, и вихрь наклоняется в сторону, куда дует ветер. Об этом нельзя забывать во время такого урагана. Если наблюдатель видит наклоненную воронку, непосредственная опасность ему не угрожает, но если воронка находится в вертикальном положении, он должен немедленно спасаться бегством в поисках укрытия.

Теперь не составит труда доказать, как большое и очень тяжелое тело, например, груженый железнодорожный вагон или локомотив, могут быть подняты смерчем и перенесены на значительное расстояние. Американские локомотивы, самые большие в мире, могут иметь длину 66 и ширину 11½ фута, составляя, таким образом, 760 квадратных футов в горизонтальной проекции. В момент удара о транспортное средство образуется статическое давление 138 фунтов на квадратный фут в добавление к атмосферному. Но, как было сказано выше, вследствие разрежения разность давлений в четыре дюйма ртутного столба (то есть два фунта на квадратный дюйм, или 228 фунтов на квадратный фут) сохраняется, доводя в итоге разницу в давлении между пространством под и над локомотивом до величины 288 + 138 = 426 фунтов на квадратный фут. Суммарный восходящий толчок, произведенный на подставленную под удар поверхность площадью 760 квадратных футов, равен, таким образом, 323 760 фунтам, что намного превышает вес полностью подготовленного к работе локомотива (он может весить около 280 000 фунтов).

Обычно вес бывает значительно меньшим, и определенно можно увидеть, как такое транспортное средство мгновенно поднимается по спирали, двигаясь ускоренно, и отбрасывается по касательной на большое расстояние. Обыкновенный человек, возможно, удивится, что незначительного разрежения достаточно для такого колоссального проявления силы, но цифры безошибочно подтверждают это. Позволю себе добавить, что я допускал минимальные значения, которые, по всей вероятности, будут значительно превышены.

Постоянный страх перед опасностью, исходящий от смерчей, и огромные потери, людские и материальные, которые они вызывают в некоторых местностях, настоятельно требуют изыскать какие-либо средства эффективной борьбы с ними, если не предотвращения их. Всякий раз, когда человек пытается вмешаться в порядок вещей, определенный непреложными законами, он обнаруживает, что его усилия крайне незначительны по сравнению с огромными перемещениями энергии в природе.

Одним из величайших потенциально возможных достижений рода человеческого могло бы быть регулирование выпадения дождевых осадков. Солнце поднимает воды океана, а ветры переносят их в отдаленные области, где они пребывают в состоянии тонкой взвеси до тех пор, пока относительно слабый импульс не заставит их упасть на землю. Земной механизм действует почти так же, как устройство, высвобождающее огромную энергию посредством спускового крючка или детонирующего капсуля.

Если бы человек мог выполнять эту сравнительно мелкую работу, он мог бы направлять живительный поток воды куда пожелает, создавать озера и реки и преобразовывать природу безводных регионов земного шара. Для решения этой задачи предлагается немало способов, но лишь один является продуктивным. Это молния, но определенного свойства.

Более 35 лет тому назад я предпринял попытки воспроизведения явлений такого рода, и в 1899 году, действительно, добился успеха, применив генератор мощностью 2 000 лошадиных сил для получения разрядов 18 000 000 вольт при силе тока 1 200 ампер; разряды оказались такими мощными, что их было слышно на расстоянии 13 миль. Я также научился вызывать точно такие молнии, какие случаются в природе, и при этом решил все технические проблемы. Но обнаружил, что слабые проявления вызываются сравнительно небольшой энергией. Мы вполне в силах разрушать их или, по крайней мере, делать их безобидными, для этого не потребуется большого труда, так как метеорология становится точной наукой, а прогнозы погоды достоверными.

С этой целью правительство могло бы организовать государственную службу, применяющую типовые бомбардировщики или более быстрые самолеты, поскольку потребность в этом реально существует. Смерч, вследствие своей небольшой энергии, чрезвычайной мобильности и неустойчивого равновесия между внешним и внутренним давлением, является очень уязвимым объектом и, без сомнения, может быть разрушен с помощью сравнительно небольших зарядов подходящего взрывчатого вещества. Быстро вращающуюся массу можно также без труда отклонить в любое желаемое направление, взорвав заряд даже на значительном расстоянии от нее. Решению задачи может также способствовать сравнительно небольшая поступательная скорость смерча, особенно с учетом современных средств быстрого оповещения.

Я считаю, тем не менее, что эффективным способом борьбы со смерчами является применение тематических устройств. С тех пор как я продемонстрировал первый аппарат такого рода, Джон Хейз Хаммонд-младший, достигший большого умения в этом искусстве, провел широкомасштабные демонстрационные опыты, доказывая осуществимость дистанционного управления сложным механизмом. Не составит труда заготовить специально предназначенные для этого устройства, начиненные взрывными зарядами, сжиженным воздухом или другим газом, которые можно было бы приводить в действие автоматически или другим способом и которые могли бы создать внезапное давление или всасывание, разрушающие вихрь. Сами ракеты можно делать из материала, способного спонтанно воспламеняться. Уже есть немало специалистов для несения такой службы, можно найти и изготовителей, способных осуществить любые проекты.

Возможно, следует сформировать правительственное ведомство во главе с таким человеком, как Джон Хейз Хаммонд-младший, и осуществлять систематическое изучение проблемы. Осуществление этого проекта откроет новые возможности для развития производства и роста занятости населения, кроме получения других выгод. Нет сомнения, что если инициировать такое предприятие и подключить к работе большие интеллектуальные силы, будут найдены эффективные методы и средства предотвращения огромных людских и материальных потерь.

Примечание А: При тепловом эквиваленте смеси 4 100 британских тепловых единиц будет достигнуто постоянное давление двенадцать тысяч атмосфер, при этом расчетная температура продуктов сгорания может равняться примерно 8 000° F. Тогда максимально возможная скорость может быть достигнута при условии, что газы будут выбрасываться в атмосферу через идеально развернутое сопло. В таком случае начальная термодинамическая температура будет равна Т = 8 460° F; следовательно, термодинамическая температура газов при их полном расширении составит

Соответственно, принимая удельную теплоемкость за постоянную величину Cv = 0,33, получим энергию W= 7 877 × 0,33 = 2 600 британских тепловых единиц и максимальную расчетную скорость

футов в секунду.

Примечание В: Пусть длина стебля равна одному футу, диаметр — 1/8 дюйма, а его удельный вес составляет 0,4 удельного веса воды. Тогда в сечении он будет иметь 1/80 квадратного дюйма, или 1/144×80 = 1/11520 квадратного фута, и, следовательно, объем, равный 1/11520 кубического фута. Поскольку один кубический фут воды весит 62,45 фунта, вес эквивалентного объема соломы составит 0,4 × 62,45 = 25 фунтов, тогда вес одной соломины будет равен 25/11520 фунта, а его масса M = 25/32×11520. = В результате кинетическая энергия будет равна ½ MV ² = 25×22500/64×11520 футо-фунтов и будет справедливым условие 25×22500 / 64×11520 = r ×1/24, из чего следует

r = 24×22500×25 / 64×11520 = 18,31 фунта.

Это среднее значение силы или производимого давления, максимальное же значение равно

2 × 18,31 = 36,62 фунта.

Так как это давление действует на площадь 1/80 квадратного дюйма, сила, действующая на квадратный дюйм, составит

F = 36,62 × 80 = 2 929,5 фунта.

Примечание С: Объем равен 0,2618 Н (D ² + d ² + dD) = 0,2618 × 1200 (1200² + 300² + 1200 × 300) = 0,2 618 × 1 200 (1200² + 1200 × 300) = 593 760 000 кубических футов, вес около 593 760 000 × 8/100 = 47 500 000 и масса

M = 47 500 000 / 32 = 1 484 400 фунтов.

Если всё это будет вращаться с максимальной скоростью V = 235 футов в секунду, кинетическая энергия будет равна

½ MV ² = 742 200 × 55 225 = 40 988 000 000 футо-фунтов, эквивалентных

40 988 000 000 / 778 = 52 700 000 британских тепловых единиц.

Примечание D: Если воздушная масса вращается внутри оболочки с входным и выходным отверстиями по принципу дисков или других устройств, то пусть периферийная скорость будет V футов в секунду, разность давлений составит около V ², тогда

V w² = V ²×0.08 / 64 = V ² / 800 фунтов на квадратный фут образуется в пространстве между всасывающим отверстием и отверстием истечения. Если V = 235 футов в секунду, то V² / 800 = 55 225 / 800 = 69 фунтов на квадратный фут, или 69/144 = 0,48 фунта на квадратный дюйм, что соответствует разрежению чуть меньше одного дюйма.

«Everyday Science and Mechanics», декабрь, 1933 г.

Энергия будущего

Постоянный технический прогресс создает условия для объединения человечества в цивилизованное сообщество, что позволяет экономить трудозатраты, обеспечивать комфортные условия и безопасность существования, а также поднять взаимоотношения людей на более высокий уровень культуры и развития. В свете этих достижений поиск экономических источников энергии отвечает самым неотложным и жизненно важным потребностям. Если бы у нас не было искусственного света, телеграфа, телефона, наше существование продолжалось бы, хотя и в стесненных условиях, полных неудобств, но без энергии мы, несомненно, погибли бы. Вся энергия на нашей планете исходит от Солнца. Человек никогда не мог обходиться без его тепловых и световых лучей, их исчезновение означало бы временное прерывание его деятельности или даже смерть. Его благоговейный страх и чувство признательности породили религиозные верования, которые дошли до нас и, трансформировавшись на протяжении бесчисленных поколений, смоделировали наши судьбы. Однако нашей высшей целью является полное овладение силами природы. Продолжая потреблять энергию из одного и того же источника, мы в своем стремлении поставить его себе на службу добились таких результатов, что наша жизнь стала в высшей степени ненатуральной. Миллионы людей никогда не видят солнца, а ведь наша зависимость от него абсолютна. Средний человек совершенно не представляет себе, какими беспомощными мы окажемся без энергии и какую катастрофу может вызвать сколько-нибудь серьезная приостановка в ее подаче. Если бы это было известно широким массам и каждый ясно осознавал ужасные последствия, которые могут произойти, то такое явление, как забастовка на железной дороге, исчезло бы само по себе.

Те немногие, кто заботится о будущем, уже давно перестали рассматривать энергию только в качестве средства обеспечения личной безопасности и комфорта; они придают ей общенациональное, интернациональное и гуманистическое значение. Наряду с этим постепенно находит признание идея, что ресурсы, которыми мы располагаем, принадлежат грядущим поколениям в той же степени, что и нам, и инженерная и изобретательская мысль обращается к поискам лучших средств, способных покончить с варварским расточительством, которое продолжается до сих пор и которое в конечном счете должно привести к истощению природных запасов. Этим объясняется, почему всякого рода сенсационные сообщения относительно новых источников энергии порождают такой повышенный интерес и находят не заставляющее себя ждать одобрение. Но найдется не более одного из тысячи, даже среди профессионалов, кто способен отделить зерна от плевел.

Атомная энергия

В качестве примера я могу упомянуть освоение атомной энергии, которое занимает сейчас главное место в общественном сознании. Обсуждение этого предмета носит большей частью тот же качественный характер, что и разговоры об общении с духами умерших или подобном вздоре, которые возникают от нездорового стремления к самоувековечиванию и противоречат всем естественным законам, здравому смыслу и опыту. Очевидная истина такова. С давних пор философы пытаются выяснить строение материи, и это привело их к выводу, что микромир (микрокосм) и макромир (макрокосм) очень похожи в некоторых отношениях. Солнца, звезды и луны на небесах имеют свою копию в молекулах, атомах и электронах. Соответственно, все тела состоят из независимых частиц различных размеров, вращающихся друг вокруг друга с чудовищными скоростями и содержащих кинетическую энергию, количество которой, как доказывают последние исследования в области физики, беспредельно. Если бы можно было уловить и преобразовать ее, мы могли бы иметь энергию в неограниченных количествах в любом месте на нашей планете. Такая возможность уже давно открылась лучшим умам в изобретательской среде. Идея не нова, но наука сделала ее более определенной и точной. Я и сам посвятил много размышлений и экспериментов реализации этой мечты с момента открытия рентгеновских лучей двадцать четыре года тому назад. Первый внушающий надежды результат был достигнут в 1897 году, когда мне удалось осуществить выброс первичного вещества на расстояние, далее, очевидно, не разложимого, и уловить некоторое количество его энергии. Это вошло отдельной темой в мое выступление перед Нью-Йоркской академией наук в том же году, о чем, однако, лишь в некоторых технических изданиях появились скудные сообщения: недостаток времени не позволил мне подготовить доклад для публикации. Впоследствии я создал прибор, который, пожалуй, и сегодня считался бы уникальным и в высшей степени приспособленным для осуществления первого шага, а именно, для выделения атомной энергии. Но несмотря на то, что мой способ был перспективным, а один из талантливейших физиков профессор Бушерер присоединился к моему мнению, эти исследования послужили лишь доказательством того, что в этом процессе количество затрачиваемой энергии превышает количество получаемой. Я же в самом деле удовлетворен тем, что проблема во многом имеет ту же природу, что и процесс, происходящий при разделении небесных светил.

Date: 2016-11-17; view: 259; Нарушение авторских прав