Итак, на нашем дворе снова 19-й век. Его начало. Люди вовсю строят паровые машины, устраивают мануфактуры и вообще ведут себя индустриально. И делают они всё это, что называется, по наитию, работает паровая машина и слава богу. А как она работает, по каким законам – кто его знает.

Работой паровой машины заинтересовался молодой французский физик, проживавший в Германии – Сади Карно. В своей работе Карно рассуждал примерно так: «То, насколько мощной и производительной будет паровая машина зависит от двух факторов: от количества теплоты, т.е. от количества пара, т.к. именно он теплоту переносит, и от разницы температур пара горячего и остывшего, т.е. отдавшего своё тепло».
И это была крутая и очень точная формулировка: важно только, сколько пара (оно и понятно, в большой машине пара больше, она мощнее маленькой) и разность температуры тел, между которыми этот пар гоняется. Так было сформулировано то, что сейчас мы знаем как цикл Карно. Достижение Карно состояло еще и в том, что свои выводы он сделал еще до всякой термодинамики, понятий работы и энтропии, вот этого всего.

Занятно, что Карно оперировал ошибочным, но распространенным в то время понятиям теплорода. И всё равно пришел к верным, фундаментальным выводам.

Свою работу он опубликовал в 1824 г. И перевернул науку? Как бы не так. Работа осталась почти полностью незамеченной. В ней содержались общие рассуждения, не подкрепленные математическими выкладками и научное сообщество не обратило на нее должного внимания. Это была единственная публикация Карно. Хотя наукой он продолжал заниматься до самой своей, весьма скорой, надо сказать, смерти.

В 1834 г. работой Карно заинтересовался известный французский физик Эмиль Клапейрон. Он подвел под нее математическое описание и вот тогда завертелось. Это было уже спустя два года после того, как молодого человека не стало. Работа Карно легла в основу термодинамики, в частности, второго ее закона.

Если кажется, что что-то не получается, не отчаиваемся. Может, только кажется.

Добрые люди делятся своим теплом. Как они это делают? Могут обнять покрепче, сказать доброе слово, а то и вовсе преподнести приятный подарок. Удивительно, но в мире материалов подходы все те же.

Итак, обнять покрепче. Ну это типичная теплопроводность. Прижимаем друга к своему пламенному сердцу и начинаем колебать его холодные, вялые, грустные атомы, своими – горячими и жизнерадостными. Таким же образом колебания атомов более горячего тела расшатывают атомы тела более холодного при плотном контакте. Так мы обжигаем палец о горячую сковороду. При этом переноса вещества не происходит. Все остаются при своих.

Доброе слово. Это же звуковая волна. А материалы для передачи тепла могут использовать волну электромагнитную, т.е. излучение. Так греет лампочка накаливания или Солнце. Другие тела поглощают фотоны света, их атомы начинают дребезжат сильнее, т.е. тела нагреваются.

Ну и наконец конвекция. Не путать с конвенцией. Это другое. Конвекция – это как бы тоже теплопроводность, но с передачей вещества. Вручил нам наш друг подарок. Взяли мы его в руки и чувствуем тепло рук друга – конвекция. Подул теплый весенний ветерок и обогрел чело наше – тоже конвекция. Тепло к телу принес поток вещества.

Все явления, связанные с передачей тепла, можно отнести к одному из этих трех механизмов или их комбинации.

Но не забываем, что мы-то – люди, и у нас этих способов куда как больше. Поэтому не ленимся, делимся теплом по-всякому.

Итак, Коперник крутил-вертел модель Птолемея по-всякому и, вероятно, не переставая цокал языком, досадовал на то, какая она неказистая. Можно предположить, что наступил день, когда ему надоело расстраиваться и было принято решение заявить: «Вы как хотите, но должно быть вот так!»

И в 1543 г. Коперник выкатил свой труд «О вращении небесных сфер». В своей работе он еще сохранил вальсирование планет по эпициклам (меньшего диаметра), а вот вращение планет вокруг общего центра стало не круговым, а овальным. Что уже гораздо ближе к действительности.

Ну и самое главное, конечно, в модели Коперника Земля перестала быть центром мира, ее место заняло Солнце. Сложно себе представить, какой это был сдвиг мышления. Наверное, если бы завтра доказали, что Земля квадратная, мы бы почувствовали что-то похожее.

Зато все расчеты стали описывать экспериментальные данные гораздо лучше и не требовались уже почти никакие костыли.

Но тут слово сказала католическая церковь. «Коперник, ты чего-то умный очень. У нас всё четко было, вот земля, под землей ад. Вона вокруг нас небо, там за небом рай. Его ангелы стерегут. А если тебя послушать, то что же это получается, где верх, где низ?»

В общем Коперник отобрал у церкви ориентацию в пространстве. Церковь разобиделась. А в те года церковь еще могла. Труд Коперника находился под запретом более 200 лет.

Но тогдашние диссиденты: Джордано Бруно, Галилео Галилей подхватили модель Коперника. А там уже и до Ньютона с его всемирным тяготением было рукой подать.

Несмотря на дурную славу синих ламп, синий свет, напротив, активно используется в медицинских целях, например, для борьбы с микробами.

Здесь возникает небольшая путаница, т.к. и лампы, и само излучение зовутся ультрафиолетовыми, но никакого собственно, фиолетового света мы не видим, оно синее (хотя вообще смотреть на УФ лампу идея так себе, можно и ожог глаза схлопотать).

В УФ излучение входят длины волн до 380 нм. Т.е. оно немножко захватывает в себя видимый синий и фиолетовый свет. Вот только интенсивность фиолетового и способность нашего глаза воспринимать его гораздо меньше, чем в случае синего. Те же причины, почему наше небо голубое, а не фиолетовое.

Но как ультрафиолет поражает бедные бактерии? Оказывается, что ДНК всех живых клеток подвержена мутациям при облучении ультрафиолетом. Нет, это не значит, что бактерии получат суперспособности.

Это означает, что например, соседние звенья ДНК могут внезапно срастись в одно звено и перестать нормально работать. А когда ты бактерия и в теле твоем клеток - раз, два и обчелся, то тебе как-то очень быстро плохеет, с летальным даже исходом.

В теле человека, например 30 триллионов своих, человеческих клеток и 39 триллионов клеток бактерий. Такие мы симбионты. Но даже нам с подобным запасом лишний раз облучаться ультрафиолетом не стоит.

Поэтому УФ обработку помещений желательно проводить в отсутствии людей. Если люди отсутствовать не хотят, можно хотя бы отвернуть лампу к стене, запрятать в кожух и снабдить устройством для циркуляции воздуха. Тоже толк. В поликлиниках так и делают.

В 19 в. на мир полился электрический свет. Но заниматься одним только освещением темных улочек и томных гостиных как-то скучно. Надо бы пристроить свет еще куда-нибудь. «А будем-ка светом больных лечить! А чтоб веселее было, светить будем через цветные стеклышки!». Так родилась хромопатия.

В Российской Империи хромопатию продвигали врач Дмитрий Иванович Кесслер и, позднее, его коллега Анатолий Викторович Минин. Обоим докторам до жути нравилось облучать ушибы, вывихи и прочие растяжения светом от лампочек. Минин, наверное, от тяги к прекрасному для своей практики выбрал лампочку синего цвета.

Результаты своего метода лечения Минин тщательного документировал и публиковал в заграничных журналах, где их с радостью принимали, т.к. тоже хромопатией увлекались. За синей медицинской лампой даже закрепилось название – лампа Минина.

По современным представлениям терапевтический эффект такого подхода стремится к нулю и ограничивается разве что прогревом поврежденных тканей инфракрасным излучением лампы. Выходит, что Минин активно занимался прогревом больных людей.

Самое смешное, что лампы Минина были довольно популярны в советское время и даже сейчас производятся и продаются. Проверьте на любом маркетплейсе. Инерция, с которой некоторые несостоятельные технологии продолжают свое существование, порой, поражает.

При этом лечение светом, конечно, имеет место быть. Только свет нужен сфокусированный, от лазера. Сфокусированный лучик света проникает в ткань человека, как микроиголочка и выжигает там, что не попадя: бородавки, расширенные сосуды или воспаленные луковицы волос.

Одним из первых, кто решил систематически озаботиться вопросами измерения вязкости был французский физик Жан Луи Пуазёй. В 1820-х гг. он сконструировал установку для изучения взаимосвязи между параметрами капилляра, давлением и скоростью потока жидкости в нем. Измерения были довольно муторными и не очень точными.

Прошло много лет, интерес к измерению вязкости не угас, и для этого люди придумали себе специальные приборы – вискозиметры. Они бывают капиллярными, как у Пуазёя (это когда мы считаем, сколько капель жидкости накапает из воронки при данных условиях), крутильными (это когда в своеобразный подшипник мы вместо шариков заливаем исследуемую жидкость, и смотрим как эта жидкость мешает кольцам крутиться друг относительно друга) и еще бог знает какими.

Также потребовалось различать разные виды вязкости: динамическую и кинематическую. Причем кинематическая – это та же динамическая, только деленная на плотность вещества. Измеряют динамическую вязкость в Пас – паскаль-секундах. Она отражает сопротивление, которое возникает, когда мы пытаемся двигать один слой жидкости относительно другого. Вязкость дистиллированной воды при 20 °C равна 1 мПас. Подсолнечного масла – в 80 раз больше.

А еще, то, как один слой жидкости движется относительно другого ее слоя может зависеть или не зависеть от скорости этого движения. В первом случае жидкость мы называем ньютоновской, а во втором – неньютоновской. Так вот неоригинально.

Кто-то наверняка вспомнит безделушку – вещество, которое течет, если его оставить в покое и твердеет, если шлепнуть им хорошенько об стол. Классический пример неньютоновской жидкости.

В общем с вязкостью – непросто. Но заниматься этим приходится, иначе, как еще понять, как поведет себя моторное масло при разных температурах или как, например, будет размазываться крем для увлажнения кожи по нашим нежным тушкам.

У нас в глазах есть палочки и колбочки. Это такие рецепторы на сетчатке глаза. Палочек около 100 млн штук, колбочек гораздо меньше – 7-8 млн. Колбочки нужны, чтобы отслеживать движение объектов, а палочки – чтобы воспринимать свет и, в том числе, лучше видеть в сумерках.

Вечером, когда пропадает источник света – Солнце, количество фотонов, которые мог бы зарегистрировать наш глаз, резко снижается. Но у некоторых животных глаза более чувствительны, например, кошке нужно в 8 раз меньше света, чем человеку, чтобы хорошо видеть.

Человек – существо завистливое и не может оставить эту природную несправедливость вот так просто. Как и многие другие свои физические недостатки, плохое зрение в темноте, человек компенсирует своим умом (если, конечно, он у человека есть). Поэтому человек стал выдумывать приборы ночного зрения.

Наиболее простой из них устроен так: берем инфракрасный фонарик, камеру, которая видит в инфракрасном свете и очки с дисплеями, подключенными к этой камере. Фонарик освещает всё вокруг инфракрасным светом, он невидим для глаза, зато его хорошо видит камера. Камера передает изображение на дисплеи, в которые человек утыкается глазами.

Такие устройства разрабатываются с середины 20-го века. Недостаток устройства в том, что сигнал с камеры идет на дисплей с задержкой и пользоваться им не очень комфортно.

Другой тип приборов гораздо ближе к «истинному» ночному зрению. Это устройства, которые усиливают сигнал от того небольшого количества света, которое остается нам в ночное время. Такая вот опция выкрутить яркость на максимум.

В основе устройства фотокатод. Если на эту штуковину попадут фотоны света, из нее выбиваются электроны. А эти электроны попадают на люминофор. Получив энергию от электронов люминофор выпускает новые кванты света, которые попадают нам в глаз, что и позволяет лучше видеть.

Так что кошка, конечно, хитра, но человек хитрее.

Где-то 50000 лет назад на Алтае жили себе люди. Охотились, собирательством занимались и, очевидно, одежку починяли. Потому что в 2019 г. там была найдена игла возрастом около 50000 лет. Это самая древняя на сегодняшний день швейная иголка.

Сделана она из птичьей косточки. Думаю, что самым сложным для наших дальних родственников было аккуратно проделать ушко. Сегодня швейные иглы делают из закаленной стали с применением различных покрытий: металлических, например, никелевых и титановых, а также керамических.

Если у кого-то дома есть швейная машинка, рекомендую присмотреться к ней повнимательней, весьма занятное устройство с совсем неочевидными инженерными решениями.

У иглы швейной машины ушко находится в нижней заостренной части. А вдоль иглы пролегает желобок, в который прячется нить при совершении стежка. Это позволяет снижать трение и износ ткани и нити.

Сами стежки – та еще головоломка. Игла с ниткой протыкает ткань, а там «за занавесом» происходит какое-то таинство и на выходе мы уже получаем стежок. Весь 19-ый век джентльмены, например Томас Сейнт, Йозеф Мадерспергер, Уолтер Хант ломали голову и накидывали идеи, в поиске наиболее ловкого «таинства».

Первой удачной выдумкой было задерживать нить, прошедшею через ткань специальным крючком, двигавшимся в такт движению иглы. Благодаря этому получалась петелька, за которую цеплялся каждый последующий стежок, образуя как бы цепочку. Так появился цепной стежок.

Затем была предложена идея с применением шпульки (рассказать об этом стоит хотя бы ради того, чтобы упомянуть само слово «шпулька»). Шпулька – это такая бабинка со вспомогательной нитью, которая прячется в механизме швейной машины. Игла с основной нитью протыкает ткань, снова формируется петля, которая накидывается на шпульку. При обратном движении наверх, основная нить подтягивает вспомогательную и формируется т.н. челночный стежок.

Ну и как не вспомнить Айзека Зингера, фамилия которого стала практически именем нарицательным для швейных машинок. Вот только этот господин ничего не изобретал. Он скупал патенты и очень умело организовывал производство. Тоже уметь надо.

Глинозем. Есть в этом слове что-то художественное, литературное. А на деле это просто оксид алюминия. Найти его можно, как не трудно догадаться в глине. Вот в той самой, в которой ноге вязнут, когда летом на карьере купаемся.

Интересен оксид алюминия тем, что может существовать в разных модификациях. Пожалуй, самая важная из них (и единственная, которую можно найти в природе) – это корунд. Частицы корунда очень твердые (конечно, по твердости уступают алмазу в четыре раза, но тем не менее). За это свойство они хорошо годятся в абразивные материалы для шлифовки и полировки.

Кроме того чтобы быть твердым, оксид алюминия – очень инертный. Т.е. это «крепкое» соединение, которое не спешит взаимодействовать даже с кислотами и щелочами. Благодаря этому свойству из оксида алюминия получаются хорошие коронки для зубов.

Отсюда же вытекает и другое его применение – термостойкая посуда. В любой лаборатории не может быть переизбытка тигельков, лодочек и чашечек, которые можно нагреть эдак тысячи на полторы градусов и не бояться, что они потекут или потрескаются.

Ну и наконец, что объединяет: драгоценный красный рубин и не менее драгоценный голубой топаз? И тот и другой являются оксидом алюминия с небольшими примесями других металлов. Их применяют не только в качестве украшений, но и в лазерной технике, производстве бронированного стекла.

Плотная бумага, она же картон, была известна еще за 3000 лет до н.э. в древнем Египте. Нас же интересует инженерное решение, которое преобразило просто плотную бумагу в уберматериал на все случаи жизни – гофрокартон.

Если мы посмотрим в торец листа картона от обычной упаковочной коробки, то увидим, что он проложен гофрированным (волнистым) слоем. Именно благодаря ему такие коробки выдерживает до 30 кг веса.

Гофрокартон был запатентован американским инженером Альбертом Джонсом в 1871 г. Его использовали в производстве головных уборов. А в 1879 г. другой американский инженер Роберт Гейр доработал материал и предложил делать из него коробки. Они занимали меньше места, чем деревянные ящики и были более прочными, чем просто коробки из плотной бумаги.

Чтобы понять, почему волнистая бумага дает большую прибавку к прочности, можно провести широко известный опыт. Возьмите два стаканчика с водой, расположите их на некотором расстоянии друг от друга. Положите сверху на два стаканчика лист простой бумаги, чтобы между ними получился своеобразный мостик. Теперь попробуйте поставить посередине этого мостика третий стаканчик с водой. Хотя можно и не пробовать, чтобы не заливать стол.
Теперь проделаем всё то же самое, только предварительно сложим бумагу гармошкой. Разложим лист и увидим подобие той самой гофры из картона. Теперь на него смело можно ставить стаканчик с водой и скорее всего даже не один. В конструкции нашего мостика появились ребра жесткости, благодаря которым он выдерживает большие нагрузки.

Всегда удивляет, как из одной и той же исходной точки можно прийти к очень разным, более выгодным результатам, если знать правильный подход.