CatScience

Речь пойдет об одной прикольной конструкции для защиты космических спутников. Пока что она есть только в лабораториях, а не на орбите, но давайте начнем с того, зачем она вообще понадобилась.

Космическое пространство не такое пустое, как нам бы хотелось. Поверхности Луны, Марса и многих других небесных тел тонко намекают, что бывает, когда тебя не защищает толстая пушистая атмосфера. Мимо нас все время летает куча мелкой каменной пакости, и наши спутники и космические станции защищены от нее не больше, чем поверхность Луны в Море Спокойствия.

На самом деле, всерьез защищаться от всех космических камней без исключения точно не получится. Например, если из-за пределов Солнечной системы прилетит маааленький такой межзвездный астероид на скорости 50 километров в секунду, никакая броня не поможет. Приходится рассчитывать на то, что такие события крайне редки.

Рядовые столкновения на орбите происходят на скорости до 10 километров в секунду. Близко к первой космической скорости, на которой, грубо говоря, летают все спутники. Этакая средняя скорость на трассе. Обломки космического мусора тоже ее соблюдают и могут мощно прилететь в борт с пересекающейся орбиты. Вот от таких ударов и хотелось бы защищаться в первую очередь, все-таки металлические куски потверже, чем каменные и ледяные микрометеоритики.

На следующем фото хорошо написано про обычную броню. Самый простой и прямолинейный способ защититься от удара — закрыться полуметровым слоем алюминия или даже стали. Разумеется, в этом случае стоимость запуска любого спутника станет настолько космической, что было бы дешевле запустить десять. Даже если девять из них погибнут от столкновений, так десятый выживет.

Более хитровыдуманная и эффективная схема — разнесенная преграда, она же щит Уиппла. Щит состоит из двух тонких металлических стенок, и первая из них не столько защищает, сколько атакует. Ее задача — раздробить опасный монолитный объект на облако мелких осколков, которые разлетаются веером и врезаются во вторую стенку. Там уже и скорость будет пониже, и удар будет распределен на большую площадь, да еще и часть осколков пойдет под углом и безвредно отрикошетит.

Крутое изобретение, но одна из самых важных его деталей — это пустое пространство между стенками. Чем оно больше, тем на большую площадь распределится удар, и тем проще будет второй стенке удержать осколки. Казалось бы, уж чего в космосе много, так это пространства, но не все так просто.

Потому что пространства довольно мало в самой ракете, которая выводит наше добро на орбиту. Полезная нагрузка, то есть спутники и прочая аппаратура, занимают довольно малую часть. Большая часть ракеты — это топливо, топливо и еще раз топливо (первая ступень, вторая ступень и третья ступень). Полезную нагрузку плотно упаковывают, а большие разлапистые детали делают складными.

Металлический щит Уиппла, двойную обшивку, тоже можно попробовать сделать складным. Но это будет весьма экзотическая конструкция с кучей движущихся деталей. Любую из них может заесть на орбите, где некому будет стукнуть по борту молотком, и ничего не раскроется.

А почему бы, подумали инженеры, не взять кевлар? Или любую другую ткань от бронежилетов, они все очень легкие, а по прочности бывают не хуже металлов. Так можно целые отсеки космических станций делать. Отвозить на орбиту как стопки тряпочек, а там уже разворачивать полноценные модули. И вот взяли они кевлар, а он на первых же испытаниях начал выдавать сюрпризы.

Основная проблема в том, что ткань (даже самого банального сатинового плетения) — это довольно сложный объект с точки зрения механики. Тонкая, мягкая, неоднородная. Еще и из ниточек состоит, которые сами по себе не так просты.

То, насколько поведение привычных веревок может отличаться от бытового представления, хорошо иллюстрируется одной старой историей.

Это академик Халил Ахмедович Рахматулин, и он придумал, как веревками крылья у самолетов отрезать. То есть аэростатную защиту, которую успешно применяли во Вторую Мировую.

Вот эта иллюстрация, на самом деле, неправильная. То есть самая левая картинка, конечно, отражает суть дела — в небе висит шарик на веревочке, самолет летит и вот-вот в нее врежется. А дальше показан случай, когда защита вообще-то не сработала. Самолет аккуратно тронул веревочку, шарик немного опустился, потом веревочка соскользнула с крыла, шарик поднялся обратно, а самолет полетел дальше. Можете сами такое дома попробовать, потыкав пальцем веревочку от воздушного шарика. Конечно, никакая это не защита.

Если по такой картинке посчитать силу, которая действует на крыло самолета, то ничего впечатляющего не получится. Но аэростатная защита работала, как же так? А все потому, что предыдущая картинка не учитывала одну важную фишку.

Правильную картинку, да еще и с правильной подписью, вы найдете, если будете гуглить волны Рахматулина. На медленно летящий объект, который отклоняет веревочку целиком, и правда будет действовать не очень большая сила. А вот если объект летит быстро, то вступают в игру правила, про которые начинающие физики иногда забывают.

Тот факт, что скорость света конечна и постоянна, развирусился и уже известен каждому первому: его печатают на футболках рядом с котом Шредингера и портретом Эйнштейна с высунутым языком. А вот то, что скорость передачи упругих возмущений в твердом теле тоже еще как конечна, часто оказывается для людей сюрпризом. Так оказалось и с веревочками. Оказывается, если самолет летит с достаточно большой скоростью (во Вторую Мировую такие уже летали), то эта скорость оказывается сопоставима со скоростью распространения возмущений в тросе. То есть см. рис. 1 б), как любят говорить механики, самолет будет взаимодействовать не с веревкой в целом, а с ее маленьким кусочком. Этот процесс можно представить себе так: крыло самолета врезается в небольшой кусок веревки, который очень жестко держит за края сила инерции. Если честно посчитать (тогда-еще-не-академик Рахматулин честно посчитал), то этой силы с запасом хватает, чтобы отрезать крыло вчистую.

На самом деле, это была весьма неочевидная фишка, которая привела к крутому изобретению. Аэростатную защиту стали применять во всех городах, а механикам-прочнистам пришлось крепко задуматься, где еще могут появиться такие эффекты. Тем более что техника двигалась вперед, и новые изобретения подкидывали все больше загадок.

Возвращаемся в двадцать первый век. Вот еще одна загадка. Это были четыре одинаковых кусочка кевлара, в них прилетели пули с различной скоростью. Как думаете, где скорость была выше?

Правильно, на правой нижней. На левой верхней был медленно летящий ударник, он успел вдоволь повзаимодействовать с нитками, вытянуть их из ткани и скукожить тряпочку. Чем выше скорость, тем, на самом деле, меньше взаимодействие. Ударник пробивает препятствие, выбивает из него “пробку” и летит дальше (ну, иногда его самого в щепки разносит, но это сейчас не суть). Есть даже такой фокус, пальцем листочек бумаги пробить. Принцип тот же.

Ну когда уже квадратная дырка-то будет?

А вот она.

Слева модель, справа фото. На модели она не очень квадратная, потому что это реально очень сложно смоделировать, а вот на фото — вполне. Честное слово, в жизни еще квадратнее. Я такую руками трогала.

Для объяснения, почему так, пришлось вспомнить и Рахматулина, и модель с прекрасным названием «крест-колокол».

Обычный кевлар с точки зрения ткачей устроен просто. Есть нитки вертикально, есть нитки горизонтально, переплетаются один-через-один.

Когда в такую ткань прилетает очень быстрый ударник (пару километров в секунду), то она практически не успевает на него отреагировать. Представьте себе замедленную съемку, как ударник как будто меееедленно пролетает сквозь ткань, но время тоже движется медленно, и ткань сама очень мееееедленно разгоняется вслед за ним. Непосредственное взаимодействие идет только с теми нитками, которых ударник коснулся. Это «крест» — вертикальные и горизонтальные нити. Нити «креста» начинают двигаться и распространяют возмущение на те нити, которые с ними пересекаются. Это «колокол». Дальше нюансы взаимодействия зависят от свойств ниток, плотности плетения, скорости ударника — короче, сложно.

Но на космических скоростях около десяти километров в секунду, на самом деле, все оказывается относительно просто. Ударник пролетает сквозь ткань с такой скоростью, что за время его пролета волна возмущения от взаимодействия успевает уйти по нитям на доли миллиметров. То есть пуля уже просвистела, а события в ткани только начинают разворачиваться. Волны Рахматулина бегут по нитям «креста», те начинают разгоняться, и до такой скорости, что банально перерубают нити «колокола».

В общем-то, все. Нити «креста» перерезали всех соседей и либо разрушились в короткие обрывки, либо свернулись подгоревшими с краю лохмотьями. От кевларовой тряпочки осталось четыре треугольных лоскутка, которые загнуло наружу и немного закрутило. Что осталось? Ага, правильно, квадратная дырка. А какой там был ударник, уже неважно, он давно улетел.

Кевлар и прочие композиты ведут себя иначе, чем старые добрые понятные металлы. Они анизотропные, они неоднородные, на их свойства могут влиять и плетение, и мелкие дефекты производства. Профессиональная инженерная интуиция может сбоить, потому что на новые материалы ее надо обучать отдельно, а лучше всего это получается как раз на странных непонятных эффектах.

Вот, например, квадратная дырка — если занырнуть на уровень ниток и подумать о всем происходящем «из первых принципов», самой базовой механики материалов, то все очевидно. А когда видишь такую шутку природы и технологии первый раз, то чувствуешь себя самолетом, влетевшим в аэростатное заграждение. Неожиданные эффекты отрезают привычную интуицию и заставляют смотреть на вещи немного иначе. Ну, после того, как прилетел лицом в землю, посидел пару лет за книгами и наконец разобрался.

На самом деле, и со старыми добрыми понятными металлами понятно далеко не все, и сюрпризов они могут подкинуть не меньше - особенно на переднем крае материаловедения, вокруг аддитивных технологий и 3D-печати. Но об этом в другой раз.

Рахматулин Х. А. О косом ударе по гибкой нити с большими скоростями при наличии трения // Прикладная математика и механика. — 1945. — Т. IX, № 6. — С. 449–462.

И.Ф. Кобылкин, В.В. Селиванов. Материалы и структуры легкой бронезащиты, 2014.

Petrov, I.B., Vasyukov, A.V., Beklemysheva, K.A. et al. On Numerical Modeling of Fiber Deformation and Destruction under Impact Load. Dokl. Math. 105, 207–211 (2022).

Автор - Катерина Беклемышева

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

То есть маяк, видимый по всей галактике и питаемый душами (да, никуда от нас, ебучих вахоёбов не спрятаться. Слава Императору!) И как вообще его сделать?

Для начала составим техзадание: с какого расстояния он должен быть виден, насколько ярок и так далее. Мы хотим маяк, видимый везде и вся, отличимый от звезд и в целом всё. Теперь надо понять, как реализовывать на практике и какие целевые числа нам нужны.

Первое – через центр галактики он не будет виден (Потому что вокруг центра куча материи, которая тупо заслонит, а так же этот самый центр светит мама не горюй) и так, поэтому возьмем за ориентир видимость на всем протяжении от Солнца до центра – то есть 8 килопарсек, делим на 2 и получаем 4, отлично, с необходимой дальностью разобрались. Что это значит с точки зрения мощности? его должно быть видно даже с самого захудалого суденышка, поэтому поставим целевой блеск максимальном удалении 4m звездные величины.

Теперь необходимо научиться отличать его от звезд: самое простое - это мигание, как у настоящего маяка, или нестандартный спектр. Мигание, кстати, еще и позволит экономить энергию астрономикона – светить куда-то раз в секунду, экономнее, чем делать то постоянно. Тут мы подходим к идее, что разумно взять УЖЕ существующий и, собственно мигающий пульсар и затем его разжечь до чего-то, видимого на всю галактику. Тем более излучать он будет в радиодиапазоне, а значит гораздо менее подвержен поглощению излучения межзвездной пылью (Длинные волны гораздо лучше игнорируют препятствия).

Но сейчас мы не видим достаточно ярких пульсаров, так? То есть “из коробки” они светят относительно слабенько, а наша задача их раскочегарить. Прежде чем разбираться с механизмом сего действия поймем, НАСКОЛЬКО же его нужно разжечь – исходя из техзадания. За ориентировку возьмем пульсар Her X-1, как один из наиболее близких, расстояние до него “всего” 6,6 килопарсек. Так как близких пульсаров мало, легким движением руки техзадание ужесточается до этой цифры.

Сейчас этот пульсар имеет видимую звездную величину почти 14 – довольно тускло, Нам нужно уменьшить на 10 звездных величин (Эта шкала мало того, что логарифмическая, но и инвертированная – чем меньше, тем ярче). Разность в 10m означает различие в создаваемых освещенностях (Световой поток на Земле, создаваемый источником) в 100*100 = 10^4 раз. Табличная светимость (То, сколько энергии выплевывает в мир за единицу времени наш источник) Her X-1 – 4 × 10^37 эрг с^-1 ( 1 Эрг = 10^-8 джоулей, СГС наше все), Итого наша целевая светимость – 4 × 10^41 эрг с^-1.

Как добиться таких значений? Чем-то адекватным по-типу термоядерного синтеза - нет (и даже если бы мы искусственно создали такую звезду, она б просто разлетелась от собственного светового давления). Но это такой, пенсионерский способ добычи энергии, молодежь велосипед не изобретает, и просто скидывает материю на компактные объекты (Нейтронные звезды и Черные дыры), перегоняя потенциальную энергию поля тяжести в излучение и получает САМЫЙ ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ДОБЫЧИ ЭНЕРГИИ В ПРИНЦИПЕ (Внезапно выход до 15% mc^2), на эльфийском зовется “аккрецией на компактный объект”.

Здесь надо бы пояснить, почему мы не берем черную дыру вместо нейтронной звезды,. На самом деле очень просто – их не так уж много, особенно в сколько-нибудь удобных местах, и мигать как пульсар они не могут). Возвращаясь к основной канве, посчитаем же, что нам даст сей способ.

Очевидно, если у нас будет бесконечно много доступной матери, то проблем с достижением не будет. Но лучше оценить требуемую массу, дабы понять, под силу ли подобное Империуму или иной космо-расистской империи. За дело!

Вычислим энергетический выход от одного грамма вещества, падающего на пульсар: эта работа суть потенциальная энергия поля тяжести GMm/R, подставим сюда типовые параметры нейтронки ( M = M_☉ (масса Солнца = 2 × 10^33 г ), R = 10 км) получим выход в 10^(21) Эрг, т.е для обеспечения целевой светимости на мы должны сжигать 4 × 10^41 / 10^21 = 4 × 10^20 грамм вещества ежесекундно, Для сравнения: масса Земли приблизительно равна 6 × 10^27 г, то есть она полностью истратится за 1.5 × 10^7 секунд, чуть меньше полугода (Удобное знание, что год это примерно π× 10^7 секунд. Не так ужасно, как я думал) может прокатить.

Итого требуемую светимость мы получили. Но как же конечность скорости света? Сейчас оценим: Требуемое нами расстояние – 6-7 парсек, один парсек - 3.24 световых года, и того наш маяк осветит всю проектную область за 20-22 тысячи лет. К сожалению, еще десяток тысячелетий минимум придется обходиться плотоядным астрономиконом(

Автор - Георгий Пименов

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

Случайно наткнулся в магазине на безглютеновую моцареллу, и решил написать этот пост.

Глютен (от лат. gluten — «клей») или по русски клейковина - это группа белков составляющих большую часть белков злаковых. Совершенно безопасный для подавляющего большинства людей и бывший самым потребляемым белком у наших предков на протяжении тысячи лет.

Почему его так боятся? Потому что у весьма небольшого количества людей есть одна из нескольких форм его непереносимости и им его есть нельзя. Из-за этого производители начали писать "не содержит глютена" на тех продуктах, которые в теории могли бы его содержать. Например какие-нибудь специальные печеньки из амаранта. Непросвящённый покупатель видит, что некая еда не содержит какую-то непонятную химическую дрянь и начинает считать, что она вредна всем по умолчанию. На всякий случай избегает. Появляются и те, кто обнаруживает у себя симптомы целиалкии (непереносимость глютена) и ставят сами себе диагноз. Если верить википедии, то угадывают лишь в 16% случаев, а остальные приходятся на заболевание с совершенно другими причинами. То есть 84% самодиагностировавшихся по статьям из интернета мало того, что ограничивают себя напрасно, так ещё и не лечат основную проблему. И в добавок своей паникой тоже увеличивают спрос на безглютеновую продукцию. Не делайте так.

Сейчас об отсутствии глютена начинают писать производители того, что глютен содержать не может даже теоретически. В сыре и молоке из которого его делают неоткуда взяться белкам растительного происхождения. Даже если корову накормить пшеницей, глютен не всосётся через кишечник не переварившись, а те крохи которые всё-таки могут попасть в кровь в случае каких-нибудь пищеварительных проблем у коровы, уж точно не будут пропущены в молоко молочными железами. Ну и самый последний рубеж обороны - микродозы глютена не страшны даже тем у кого на самом деле есть его непереносимость.

P.S. лимонная кислота тоже совершенно безвредна в адекватных количествах. В 1976 году во Франции появились анонимные тексты бездоказательно клеймящие различные Е добавки канцерогенами и прочими вредностями. Миф ушёл в народ, но реально лимонная кислота безвредна, не вызывает рак и содержится в многих совершенно точно полезных продуктах таких как лимон 5,6%, малина 2,5%, чёрная смородина 1,2% и многих других. Полулетальная доза для крыс 3 г/кг. Примерно как у повареной соли.

Автор - Сева Хлопников

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

Стрела, стремительный, стриж, струя, ястреб – все это быСТРые вещи. Лилия, мимоза, лань – МиЛые и Нежные. "Хрип" ХРипит, «шелест» Шелестит, а хрыч и карагач отличаются редкой корявостью.

Почему так? Есть ли в этом реальная закономерность или мы имеем дело с очередной лингвистической шизой и фоменковщиной? Существуют ли какие-нибудь объективные принципы, по которым люди наделяют звуки теми или иными качествами?

Для начала попробуйте ответить на вопрос: слово «облако» округлое или скорее угловатое? А слово «зигзаг»? Если вы ответили что облако округлое, а зигзаг угловатый, то поздравляю – вы попали в подавляющее статистическое большинство. Но вы можете мне возразить: все мы знаем, как выглядят облако и зигзаг, неудивительно, что образы предметов мы переносим и на их звучание. Хорошо, давайте тогда ответим на такой вопрос. Кто страшнее – урщух или лимень? Представьте их обоих, оцените с позиции хорошести, угрозы… Статистика показывает, что урщух оказывается гораздо страшнее лименя. Что за статистика, спросите вы? В 80-х годах в России лингвист по фамилии Журавлёв провёл множество экспериментов, чтобы понять какими нам слышатся звуки. Оказалось, что каждый звук имеет довольно чёткую, повторяющуюся характеристику в нашем сознании. Что Р, например оказывается сильным, смелым. Х – плохим и так далее.

Вслед за экспериментами, накопив материал и составив таблицу характеристики всех звуков, он принялся за расчёты, чтобы понять, как из их набора создаётся образ слова. Оказалось, что вес звуков в составлении этого набора неодинаков. Например, те,, что встречаются редко, влияют гораздо сильнее на наше восприятие, чем частые. То есть условный Ф, Ц или Щ могут забить собой весь эффект прочих букв слова, перетянуть его на свои характеристики. А если такая буква будет ещё и первой в слове… Выяснилось, что первый звук слова влияет на его образ в нашем сознании примерно в четыре раза сильнее, чем все остальные. Так родилась формула, по которой можно подсчитать характеристику каждого слова.

Чтобы проверить эту формулу, ученый загнал в компьютер несколько слов. Понятно, что большинство характеристик оказывались в районе нейтральной части, учитывались только крайние значения. Вот, например, какие результаты у него получались:

Понятно, что далеко не все слова придумываются в соответствии с их звучанием. И нередко случается так, что слово, чьё звучание имеет чёткую характеристику, совсем не предполагает такого же значения. Если значение и звучание не входят в сильный конфликт, то слово функционирует как есть. А вот если конфликт между ними оказывается серьёзным, то это может и повлиять на судьбу слова… Например, «юноша» по этой формуле оказалось чем-то женственным, нежным и слабым. А теперь скажите, часто ли вы используете это слово в отношении молодых людей? Но как же так вышло, ведь раньше же его использовали, и ничего? Ну во-первых, мы не можем гарантировать, что тысячу лет назад все звуки воспринимались такими же, как сейчас. А во-вторых, вообще-то и не использовали. Древнерусский вариант этого слова звучал как «унош» - и это вполне мужественное звучание с точки зрения фонетики.
Или например, согласно этой формуле слово «женщина» получило признаки «темный, отталкивающий, тяжелый, устрашающий, низменный, злой». Ну и часто ли вы используете это слово вне контекста «женщщщщина, куда вы лезете»?

Вообще, если интересно, можете почитать его книгу «Звук и смысл» - там интересно, и про имена, и про заимствования, и про синестезию, и подробнее про сам ход эксперимента и выработку формулы. И даже предвидение нейронок, правда автор предлагал, чтобы компьютер определял содержание слова по его звучанию.
А вы теперь можете рассчитать характеристики любого слова, опираясь на эту таблицу, и сравнить их с личными впечатлениями.

Автор - Виолетта Хайдарова

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!