Потому что важна не скорость, а то, насколько быстро растёт площадь поперечного сечения поезда. И носитель решения нашёлся на пруду.

Выстрел из туннеля

Когда поезд на скорости около трёхсот километров в час влетает в туннель, он работает как поршень в трубе. Перед ним возникает волна сжатия, которая бежит по туннелю со скоростью звука, по дороге становится всё круче — и на выходе выплёскивается наружу низкочастотным хлопком.

Звук этот слышен за четыреста метров от портала, и сопровождается ощутимой вибрацией. В Японии, где скоростные поезда проходят через плотно заселённые районы, для жилой застройки установлен предел в 70 децибел, и туннельный хлопок в него не укладывался.

Обратите внимание, что произошло с задачей. Ограничение скорости пришло не от техники и не от физики движения: поезд может двигаться быстрее. Ограничение пришло из надсистемы — от людей, живущих рядом с выходом из туннеля, и от нормы, которую они установили. Разработчики прямо отказались от испытаний на скоростях выше 350 км/ч именно по этой причине.

Что именно порождает хлопок

Разберём механизм.

Волна сжатия возникает потому, что поезд, входя в туннель, вытесняет воздух. Но сила этой волны зависит не от скорости самой по себе, а от того, как быстро нарастает площадь поперечного сечения поезда в сечении туннеля. Тупой нос перекрывает туннель почти мгновенно — воздух получает резкий удар. Длинный и плавный нос увеличивает сечение постепенно — то же количество воздуха вытесняется, но растянуто во времени, и фронт волны не успевает стать крутым.

Отсюда точная постановка: уменьшить надо не воздействие, а его производную. Импульс нельзя убрать — воздух всё равно придётся вытеснить, — но его можно размазать во времени.

Исследования показали, что идеальным был бы нос в виде клина или тела вращения с парабо…

В 2002 году 26-летняя жительница штата Вашингтон Лидия Фэрчайлд рассталась с отцом своих детей Джейми Таунсендом и обратилась за государственной помощью. В рамках оформления документов родители и дети прошли генетическое тестирование.

Результаты ошеломили всех:

- анализ подтвердил, что Таунсенд является отцом детей, но

- практически исключил материнство Лидии.

Сначала сотрудники социальных служб сначала решили, что произошла лабораторная ошибка. Анализы повторили в Arizona State University. Однако результат не изменился: женщина, которая выносила и родила детей, генетически не признавалась их матерью!

Свидетели против ДНК

Власти заподозрили, что Лидия пытается незаконно получить государственную помощь, указав чужих детей как своих. Возникла даже угроза передачи детей в приёмные семьи, но Лидия представила свидетельства о рождении, фотографии своих беременностей и медицинские документы. Её мать заявила, что присутствовала при родах, а акушер был готов подтвердить, что лично принимал детей.

И это приходило в противоречие с тем, что ДНК-анализ в начале XXI века воспринимался, как почти неопровержимое доказательство отцовства и материнства.

В это время Лидия была беременна третьим ребёнком, и суд распорядился, чтобы при родах присутствовал официальный наблюдатель. Он должен был удостоверить, что ребёнок действительно родила Лидии, и сразу после родов у матери и младенца немедленно взяли образцы для анализа.

Результат показывал, что… Лидия не является матерью ребёнка, рождение которого только что было засвидетельствовано.

«Я знала, что выносила этих детей. Я знала, что родила их», — рассказывала позднее Фэрчайлд. Её история подробно изложена в материале ABC News "She's Her Own Twin".

Но как это могло произойти?

Подсказка из медицинского журнала

Разгадку помог найти адвокат …

Что удерживает крыло стрекозы от флаттера?

Тёмное пятнышко у конца крыла весом меньше миллиграмма.

Пятно, которое все видели

Посмотрите на крыло стрекозы. Ближе к вершине, у самой передней кромки, есть небольшое тёмное утолщение — прямоугольная ячейка, заметно плотнее и тяжелее соседних.

Называется она птеростигма. Есть у стрекоз, у пчёл и ос, у сетчатокрылых, у сеноедов, у полужесткокрылых — то есть в пяти разных отрядах насекомых.

Её видели все, кто когда-либо рассматривал крыло насекомого. Что она делает, объяснили только в 1972 году.

Что такое флаттер

Сначала о том, с чем птеростигма борется.

У всякого крыла есть две степени свободы: оно может изгибаться вверх-вниз и закручиваться вокруг продольной оси. Аэродинамика связывает эти движения: изгиб меняет угол атаки, изменение угла атаки меняет подъёмную силу, та меняет изгиб.

Если связь получается «правильного» знака, колебания затухают. Если «неправильного» — каждое колебание подкачивает энергию в следующее, и амплитуда растёт сама. Это флаттер: не резонанс с внешней силой, а самовозбуждение с отрицательным демпфированием.

Знак связи определяется взаимным положением двух линий: оси кручения и линии центров масс сечения. Если центр масс лежит позади оси кручения, крыло склонно к флаттеру; чем дальше позади, тем ниже критическая скорость.

Птеростигма не гасит колебания — она не даёт им возникнуть, сдвигая центр масс вперёд и меняя знак связи между изгибом и кручением. Энергия нигде не рассеивается, потому что нечего рассеивать.

То же самое в авиации

Приём в технике известен и обязателен.

На рулях и элеронах самолётов ставят балансировочные грузы — массы, вынесенные вперёд от оси навески. Задача та же: сдвинуть центр масс поверхности к оси вращения или вперёд неё, чтобы исключить связь колебаний конструкции с отклонени…

Наиболее известный пример принципа отброса ненужных, выполнивших свою функцию и уже мешающих системе частей — это современная многоступенчатая ракета. Каждая отработавшая ступень отсоединяется и падает на землю, а сама ракета продолжает движение.

Но возможно ли такое в природе? То есть универсален ли инструмент разрешения противоречий и за пределами техники?

Убедительный ответ на это даёт оленья кровососка.

В конце сентября в лесу к вам садится на куртку небольшое коричневое насекомое, миллиметров пять-семи, плоское и на удивление упругое: раздавить его пальцами почти невозможно. Это оленья кровососка, она же лосиная муха.

Летает она скверно и недалеко — метров на пятьдесят, не больше. Ориентируется грубо: крупный тёмный движущийся объект, тепло. Именно поэтому она регулярно садится на людей, хотя человек ей не нужен.

Но если ей повезло и под ней действительно лось или олень, происходит следующее. Кровососка вцепляется коготками в шерсть — и обламывает себе крылья. Не складывает, не прячет, а именно обламывает, причём по заранее заложенной линии разлома. После этого она уходит в подшёрсток и остаётся там до конца жизни, примерно на год. Обратной дороги нет: сменить хозяина она уже не сможет.

С точки зрения конструктора здесь произошло нечто примечательное. Аппарат сбросил свою двигательную установку, отработавшую ровно один раз, — и место разделения было предусмотрено при постройке, как пироболты между ступенями ракеты.

Противоречие, которое разрешено во времени

Сформулируем задачу так, как её решала эволюция.

Крылья должны быть: без них не найти хозяина, а хозяин ходит по лесу и встречается редко.

Крылья не должны быть: в густой шерсти они мешают протискиваться, цепляются за волоски и превращаются в удобную ручку, за которую паразита вычёсывают.

Требования несовмести…