Работа с мостками
Чтобы нагрузить грузовик гравием, нужно изрядно поднапрячь спину, если вы просто заполняете им мешки и переносите их руками. Гораздо легче грузить гравий в тачки и завозить его в грузовик по мосткам. Тачка – прекрасный образец машины, который мы рассмотрим позже, но мостки – тоже машина. Если представить себе, как движется груз, то мостки тоже будут своего рода рычагом. Когда вы толкаете груз по ним, вы тоже используете принцип рычага.
Действие мостков легче представить себе в понятиях энергии. Если вам нужно поднять 200 кг гравия на высоту 1 м от земли, вы должны использовать одно и то же количество энергии, независимо от того, как вы это делаете (закон сохранения энергии). При этом вы должны потратить минимум 2000 Дж. Если гравий упакован в мешок и вы поднимаете его на метр, сгибая колени и затем выпрямляясь, то вы развиваете мощность порядка 2000 Вт, то есть такую же, как электрический чайник или тостер. Но если тот же гравий насыпан в тачку и вы толкаете ее перед собой по наклонной плоскости, достигая той же высоты примерно за 4 с, вы можете генерировать то же количество энергии – 2000 Дж – вчетверо медленнее, создавая мощность всего 500 Вт (это мощность небольшого ручного блендера). Таким образом, если мы абстрагируемся от силы трения и потери энергии на создание звуковых колебаний, которые сопровождают вашу работу с ржавой тачкой, вам все равно придется приложить вчетверо меньшую мощность, чем если бы вы просто поднимали груз. Толкать тачку по наклонной плоскости вчетверо легче, чем поднимать тот же груз вертикально. Но здесь есть и маленькая хитрость: приходится толкать тачку на большее расстояние в течение большего времени, так что количество затраченной энергии будет одинаковым. Вам будет вчетверо легче, но работа займет вчетверо больше времени.
Шурупы – те же наклонные плоскости
Представьте себе остроконечный холм, похожий на рожок мороженого, на котором ложбинка бежит снизу вверх. Сожмите высоту холма до размеров вашего мизинца и вообразите его сделанным из стали – и вы получите шуруп. Он имеет такую же наклонную плоскость, которая вьется спиралью вокруг его оси. И работает он точно так же, как описанные выше мостки.
Представьте себе, что вы хотите установить в своей комнате полки для книг, опирающиеся на кронштейны. Кронштейны можно прикрепить к стене, просто прибив их шурупами, как гвоздями. Это потребовало бы значительных усилий, а стена была бы изуродована. Обычно в таких случаях применяется другой вариант: вы вворачиваете шурупы в стену при помощи отвертки. С каждым ее поворотом вы совершаете достаточно большое круговое движение. А шуруп входит в стену на меньший угол. Точно так же, как вы поступаете, поднимаясь на автомобиле по серпантину или двигая вверх тачку по наклонной плоскости, вы уменьшаете потребляемую мощность и прилагаете меньшую силу. Для вас это легче, но требует большего времени. Ваши рука и запястье при ввинчивании шурупа действуют как колесо, помогая вам увеличивать создаваемую вами силу. Некоторые отвертки имеют боковые рукоятки, которые дополнительно увеличивают используемую силу рычага.
Смогли бы вы сжечь свой дом с помощью электродрели?
Что происходит, когда вы энергично трете один предмет о другой? Возникает сила трения, которая превращается в тепло. Если вы будете использовать электродрель достаточно долго, то возникнет значительная сила трения. Большая часть энергии, которую потребит за это время дрель, превратится в тепло. В результате нагреется стена, в которой вы пробивали отверстия, сверло дрели и ее мотор. Неслучайно доисторические ручные дрели использовались человеком для того, чтобы воспламенять трут и добывать огонь. Многие строители-любители хорошо знают, что сразу по удалении из отверстия в стене сверла дрели касаться нельзя. Сразу возникает вопрос: а возможно поджечь дом, если достаточно долго работать в нем дрелью? Посчитаем и проясним ответ.
Насколько сильно все может нагреться?
Представьте, что вы сверлите массив дерева, который может воспламениться при 200–400 °C. Возьмем максимальное значение и будем исходить из того, что дерево – не очень теплопроводящий материал. Дрель разогревает только небольшой его участок, непосредственно прилегающий к вращающемуся сверлу, порядка 250 г. Удельная теплоемкость дерева составляет 2 кДж на килограмм на 1 градус: для разогрева 1 кг дерева на 1 градус требуется порядка 2000 Дж. Если температура в комнате составляет 20 °C, то, чтобы добавить 1 кг дерева еще 380 °C, мы должны приложить к нему энергию 380 × 2000 × 0,25 = 190 кДж. Поскольку мощность типовой электрической дрели составляет 750 Вт, она преобразует в механическую энергию 750 Дж электроэнергии в секунду. Допустим, вся эта энергия без потерь превращается в тепловую. Тогда нам нужно будет сверлить в течение примерно 250 с (всего около 4 минут), чтобы поджечь деревянную стену.
Стоит ли из-за этого беспокоиться?
Получается, строители-любители сильно рискуют! Но насколько? Мои допущения гипотетические. Когда в последний раз вы сверлили дырку в дереве в течение четырех минут без остановки? Не вся энергия, которая сообщается дереву сверлом, превращается в тепловую. Кроме того, тепло из места сверления немедленно распространяется на соседние участки. Я прикидывал ситуацию буквально на пальцах.
Но нельзя сбрасывать со счетов и следующие соображения. Что если сверло разогреет до критической температуры меньший объем дерева или древесную пыль, скапливающуюся в отверстии? Что если какие-то породы дерева могут воспламеняться и при 200 °C? Тогда сверление до опасной отметки может потребовать и меньше времени? В целом правильно сказать, что возможно добиться воспламенения деревянных деталей при достаточно долгом сверлении. На самом деле основной риск исходит от древесной пыли или стружки, которая образуется в процессе. Пыль, частицы которой разделены молекулами кислорода, может загореться гораздо легче, чем деревянный массив. И создать огонь таким способом удавалось даже доисторическим людям. А нынешние электродрели не в пример мощнее.
