Наука, эффекты и природа

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 …

Можно, если заменить поршень звуком.

Возьмите закрытую трубу с гелием под давлением в десятки атмосфер. Внутри поставьте динамик и пакет тонких пластин с зазором в треть миллиметра. Включите звук — низкий, мощный, стоячую волну.

Один край пакета пластин начнёт остывать. Через несколько минут разница температур между краями достигнет десятков градусов.

Ни компрессора, ни поршня, ни клапанов, ни хладагента. Из подвижных деталей — только мембрана динамика. А в вариантах, о которых пойдёт речь ниже, нет и её.

Уровень звука внутри трубы такой, что в открытом воздухе он был бы смертельным — за сто семьдесят децибел. Но труба закрыта, и снаружи слышно негромкое гудение.

Устройство называется термоакустическим холодильником, и работает оно на явлении, которое обычно считают побочным.

Почему звук — это температура

Звук — это бегущие по газу сгущения и разрежения. А сжатие газа его нагревает, расширение — охлаждает. Значит, в звуковой волне вместе с давлением колеблется и температура.

В обычной обстановке эти колебания составляют тысячные доли градуса, и о них никто не вспоминает. Но амплитуда растёт с квадратом давления, и при уровнях, доступных в закрытом резонаторе, колебания температуры измеряются уже градусами.

Дальше нужен только эффективный способ этим воспользоваться.

Пожарная цепочка

Способ такой. В трубу вставляется стек — пакет пластин или пористая структура, вдоль которой стоит твёрдая стенка.

Рассмотрим маленькую порцию газа рядом с пластиной. Волна сдвигает её на долю миллиметра в одну сторону и одновременно сжимает — порция нагревается и отдаёт немного тепла стенке в новом месте. Через полпериода волна возвращает порцию назад и расширяет — теперь порция холоднее стенки и забирает у неё тепло.

Итог одного цикла: порция газа перенесла крошечную порцию тепла на длину…

Основным фактором, ограничивающим дальность и продолжительность полета беспилотника является заряд его аккумулятора. Предлагаются различные решения, например, сделать аккумулятор из нескольких блоков и сбрасывать их по мере разрядки для облегчения беспилотника. Другим перспективным решением является зарядка аккумулятора беспилотника от воздушных линий электропередачи. Такие экспериментальные системы уже созданы и испытаны.

Наиболее реалистичная схема

Беспилотник не подключается к двум проводам, как обычный электроприбор. Он:

подвешивается на один провод;

охватывает провод разъёмным магнитопроводом;

превращает провод ЛЭП в первичную обмотку трансформатора;

снимает энергию с переменного магнитного поля;

выпрямляет ток и заряжает аккумулятор.

Фактически захват беспилотника является разъёмным трансформатором тока. Электрического контакта с токоведущей жилой не требуется: энергия передаётся индуктивно через изоляцию провода. Мощность определяется главным образом током в линии, формой магнитопровода и качеством его замыкания, а не только высоким напряжением линии.

Реальные результаты

В 2024 году исследователи Университета Южной Дании продемонстрировали автономный мультикоптер, который самостоятельно находил провод, садился на него, заряжался и продолжал полёт. В испытаниях он многократно повторял цикл «полёт — посадка — зарядка — взлёт» в течение нескольких часов.

Почему лучше садиться, а не заряжаться в полёте

Простого приближения к проводу обычно недостаточно: магнитное поле быстро ослабевает с расстоянием. Для заметной мощности желательно полностью охватить провод магнитопроводом.

Кроме того, при подвеске на проводе линии электропередачи:

двигатели беспилотника выключаются;

беспилотник не расходует энергию на удержание в воздухе;

линия одновременно служит источником энерг…

Можно, если вы Никола Тесла.

Обратный клапан — одна из самых массовых деталей в технике. Устроен он просто: поток двигает шарик, тарелку или лепесток. Туда — открылся, обратно — сел на седло и закрыл проход.

Просто, понятно и очень дорого обходится. Каждая подвижная деталь тянет за собой длинный список расплат: она изнашивается, может заклинить, требует точного изготовления и уплотнений, увеличивает размеры и стоимость, а главное — ограничивает скорость срабатывания. Клапану нужно время: обнаружить смену направления, сдвинуть запирающий элемент, посадить его на место.

Отсюда дерзкий вопрос: а можно ли сделать клапан, в котором запирающего элемента нет вообще?

Оказывается, можно. В феврале 1916 года Никола Тесла подал заявку, а 3 февраля 1920 года получил патент США № 1 329 559 на устройство под названием valvular conduit — вентильный, или клапанный, канал. Ни шариков, ни пружин, ни заслонок, ни мембран. Только форма канала.

Гидравлический диод

Внутри канал выглядит странно: череда карманов, дугообразных обходных петель, разделителей струи и камер, где потоки снова сходятся. Симметрии нет ни в чём.

В разрешённом направлении основная часть жидкости идёт почти напрямик. Что-то заходит в боковые ответвления, но возвращается в главный канал сравнительно плавно. Потери есть, но небольшие.

В обратном направлении та же геометрия работает совсем иначе. Поток разделяется, часть его уходит в обходную петлю, разворачивается и возвращается навстречу основной струе. Дальше начинается: столкновение струй, вихри, интенсивное перемешивание, зоны торможения, многократные повороты — и, как следствие, резко возросшие гидравлические потери.

Тесла в патенте описал это точно: в «запертом» направлении жидкость разворачивается на 180 градусов дважды за секцию, тогда как в прямом — отклоняется…

Почему фузор Фарнсуорта–Хирша так и не стал домашней электростанцией. Разбор методами ТРИЗ

Мечта, которая почти сбылась

Вакуумная камера. Внутри — небольшая проволочная сетка. Баллон с дейтерием, источник высокого напряжения, вакуумный насос. Несколько доступных деталей, стол в подвале — и внутри установки начинается термоядерный синтез. Детектор считает нейтроны, а нейтроны врать не умеют: ядра дейтерия действительно сливаются.

Это не фантастика и не рекламный трюк. Такие аппараты строят университетские лаборатории, инженеры-любители и школьники. В 2008 году четырнадцатилетний Тейлор Уилсон собрал фузор в подвале физического факультета Университета Невады и стал самым молодым человеком, добившимся термоядерного синтеза.

Устройство называется фузор Фарнсуорта–Хирша. Придумал его Фило Фарнсуорт — тот самый инженер, которому мир обязан электронным телевидением; конструкцию довёл Роберт Хирш в конце 1960-х. Работали они над ней в компании ITT и целили именно в энергетику: предполагалось, что из этой схемы вырастет компактный термоядерный реактор. Не выросло. Разобраться, почему, полезнее, чем просто зафиксировать факт.

Три условия, из которых выполнено одно

Чтобы термоядерная установка отдавала больше энергии, чем потребляет, мало разогнать частицы. Нужно выполнить три условия сразу: топливо должно быть достаточно горячим, чтобы ядра преодолевали взаимное отталкивание; достаточно плотным, чтобы столкновений было много; и удерживаться достаточно долго, чтобы выигрыш успел накопиться раньше, чем энергия утечёт наружу. Вокруг произведения этих трёх величин крутится вся термоядерная энергетика.

Приложим эту тройку к фузору.

Температура — выполнено, причём с запасом. Ион, разогнанный десятками киловольт, по энергии эквивалентен веществу, нагретому до сотен миллионов градусов. …

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…

Что происходит с резинкой, когда её растягивают?

Она становится тоньше.

Растяните любой привычный материал — он сузится поперёк. Сожмите — раздастся вширь. Никому не приходило в голову, что материал может при растяжении толстеть.

Пена, вывернутая внутрь

В 1987 году Родерик Лейкс опубликовал в Science заметку с обескураживающе простым содержанием.

Он взял обычный пенополиуретан — тот, из которого делают губки и подушки, — сжал его сразу по трём осям, нагрел выше температуры размягчения и охладил в сжатом состоянии. Ячейки пены, прежде выпуклые, оказались вогнутыми внутрь: их рёбра сложились наподобие бабочки-галстука.

Полученный материал при растяжении расширялся поперёк.

Через несколько лет Кен Эванс предложил для таких материалов название — ауксетики, от греческого «увеличивающийся». Нашлись и природные примеры, которые всё это время были под рукой: минерал кристобалит, некоторые сухожилия, а по расчётам — большинство кубических металлов, если растягивать монокристалл вдоль подходящего направления.

Простейшая модель: вращающиеся квадраты

Понять механизм проще всего на игрушечной модели.

Вообразите жёсткие квадраты, соединённые между собой шарнирами по углам и уложенные в шахматном порядке — то повёрнутые вправо, то влево. В сложенном состоянии они плотно упакованы.

Потяните конструкцию за края. Квадраты не растягиваются — они поворачиваются вокруг шарниров. И, разворачиваясь, расталкивают соседей сразу в двух направлениях. Решётка раскрывается и по длине, и по ширине.

Второй классический механизм — вогнутая ячейка сотовой структуры. Обычные соты состоят из выпуклых шестиугольников: растянешь — стенки поворачиваются внутрь. Разверните боковые рёбра вовнутрь, сделав ячейку похожей на песочные часы, — и при растяжении рёбра начнут расходиться наружу.

Никакой экзотической…

Идея, которая кажется гениальной

«Автомобили в любом случае давят на дорогу. Встроим в покрытие пьезоэлементы и получим бесплатную электроэнергию для уличных фонарей. Расход топлива у машин при этом не изменится».

Звучит безупречно: энергия будто валяется под колёсами, надо лишь наклониться и подобрать. Первая половина утверждения — чистая правда: пьезоэлектрические устройства, преобразующие деформацию покрытия дороги в электричество, существуют, их исследуют десятки лабораторий, а первые опытные участки уложены ещё в 2008 году.

Фейком является ровно одно слово — «бесплатная». Разберём, откуда берётся иллюзия, инструментами ТРИЗ: ресурсный вопрос, функция расплаты, границы системы, физическое противоречие. Заодно получится универсальный детектор энергетических фейков — их в сети гораздо больше одного.

Первый вопрос любого разбора: кто платит?

В ТРИЗ есть простой и очень неудобный для фантазёров вопрос: какой объект совершает работу?

Пьезоэлемент энергию не создаёт. Он преобразует механическую работу деформации в электрическую. Значит, у деформации есть автор. Выстроим цепочку целиком:

топливо или тяговая батарея → двигатель → колесо → деформация дороги → пьезоэлемент → электричество → фонарь.

Источник стоит в самом начале, и это не дорога. Это химическая энергия топлива, либо заряд аккумулятора, либо потенциальная энергия автомобиля на спуске, либо его кинетическая энергия при торможении.

Пьезоэлектрическая дорога — не источник, а преобразователь. Ровно как шестерёнка или трансформатор: она может передать энергию, изменить её форму, но не может её добавить.

Сила — это ещё не энергия

Здесь прячется главная логическая ловушка, на которую попадаются почти все.

Работа равна произведению силы на перемещение точки её приложения:

На жёстком покрытии автомобиль давит с силой…

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…

Есть хорошая примета — бросать монеты в фонтан, чтобы вернуться. Это неплохой доход для служащих, следящих за фонтаном. Но как стимулировать туристов делать это? Очень просто — бросить первые несколько монет самим!

Каждый год из знаменитого фонтана Треви (Рим, Италия) «вылавливают» больше миллиона евро — монетки, которые по традиции бросают туда туристы. Эти деньги идут на финансирование супермаркета для бедных.

Часто в технологическом процессе большое значение имеют начальные условия, при которых возможны различные варианты поведения системы. Чтобы обеспечить правильное развитие процесса необходимо использовать элемент, который задаст правильные начальные условия, определив единственный вариант из многих.

МКС. Если в стационарном технологическом процессе каждый следующий шаг существенно зависит от начальных (граничных) условий, получаемых на предыдущем шаге, которые определяют стабильность процесса, то вводится «затравка», обеспечивающая сразу выход на стационарный процесс, то есть на ситуацию, от которой начинается стабильный процесс. Это повышает управляемость всего процесса.

Таким образом, удаётся избежать поливариантность процесса, и мы избегаем точки бифуркации.

Пример 1

Профессиональные нищие всегда начинают с того, что кладут несколько монет в кепку или стакан для подачи милостыни. Так же поступают музыканты, играющие на улице.

Пример 2

Вылупившиеся в инкубаторе цыплята не могут понять, как есть. В природе их этому учит мама-курица, которая «показывает» им это. Но как это сделать в промышленных масштабах, где это невозможно? В авторском свидетельстве № 1 214 041 предлагается решить эту задачу тем, чтобы подсаживать к только что вылупившимся цыплятам 2–6 суточного цыплёнка. Эти цыплята уже знают, как есть и пить. Различие небольшое, и цыплята выращиваются вмест…

Эта история произошла в начале лета 1914 года в небольшом американском городке Бригус, где поселился известный американский художник Рокуэлл Кент. Характер у него был вспыльчивый, и как-то во время пустяковой ссоры с соседом, аптекарем Хирном, он обругал его и пообещал убить. Всё было сказано сгоряча (ну чего не скажешь в запале!), но вредный аптекарь решил отомстить и подал в суд за оскорбления и угрозу убийством.

Ситуация складывалась для Кента крайне неблагоприятная. Аптекарь был ещё и мировым судьёй, а ссора была публичной, и было немало свидетелей, так что отказаться от своих слов под присягой Рокуэлл Кент не мог. Всё зависело от того, насколько серьёзно может быть воспринята угроза убийством. Если судья сочтёт угрозу реальной — художнику грозил реальный срок, и немалый.

Многое зависело от последнего слова Кента. Судья привёл Кента к присяге и начал задавать вопросы:

— Вы обвиняетесь в том, что применили к истцу угрожающие выражения. Так ли это?

— Да, Ваша честь!

— Какие выражения Вы применяли?

— Я говорил «ах, ты, низкий, грязный, подлый трус; грязная собака; гад ползучий, да, да, ползучий, мистер Томпсон, п-о-л-з-у-ч-и-й, гадкая, отвратительная вонючка; ядовитая змея; стигийское, с-т-и-г-и-й-с-к-о-е, мистер Томпсон, чудовище, исчадие ада; ты, ты…».

В зале начал раздаваться смех.

— Что Вы ещё говорили?

— Я его дразнил! Говорил «бу-бу-бу», потом «мая-мяу», затем «Б-у-у».

В зале откровенно смеялись. Наконец судья задал главный вопрос, от которого зависел исход суда.

— Истец заявил, что вы грозили его убить! Это правда?

В зале наступила напряжённая тишина. Отказываться от своих слов было нельзя — были свидетели.

— Да, Ваша честь, — сказал Кент, — это правда. Я грозил убить его… убить и съесть!

Зал оглушил смех. Судья с трудом сдерживал смех и гасил улыбку.

— История…

Одна металлургическая компания отправляла за рубеж гвозди в дубовых ящиках. Наступили 1990-е годы, и компания решила сэкономить на упаковке и стала делать ящики из сосны. И тут же получила рекламацию от зарубежных партнёров. Оказывается, покупали гвозди из-за дорогой дубовой упаковки, которая потом шла на изготовление элитной мебели. Именно поэтому в договоре было тщательно прописано качество упаковки.

Психологический приём — перевести внимание на другой объект (элемент). В сущности, это чистый аналог приёма «Посредник» из техники, но со своей спецификой. Внимание отвлекается от существа объекта на форму или вспомогательный элемент.

МКС. Если дорогой материал по каким-либо причинам нельзя продавать (перевозить через границу, необходимо скрыть от других и т.п.), то решение состоит в том, чтобы из этого материала изготовить предмет, не представляющий большой ценности, но воспринимаемый не как ценный материал, а как малостоящий предмет. То есть форма (функция нового объекта) или вспомогательные элементы выполняют функцию посредника, отвлекающего внимание от основного содержания, представляющего основную ценность.

Замечание. Ценная система может стать частью надсистемы, отвлекающей внимание от самой системы.

Пример 1

Австрийскому химику Герману Марку (1895–1992) с еврейскими корнями в 1938 году пришлось бежать из Австрии. Но при выезде ему запретили вывозить ценности и деньги. Тогда он продал все свои ценности, а на полученные 50 000 долларов купил платиновую и иридиевую проволоку у фирмы, поставлявшей материалы для химических лабораторий. Из проволоки он сделал вешалки-плечики для одежды. В конце апреля 1938 года вместе с женой и двумя сыновьями Марк покидает страну с нацистским флагом на радиаторе и лыжами на крыше его автомобиля. Под видом поездки в Швейцарию на горнолыж…

Одна из общественных организаций по защите прав пенсионеров в США предложила юристам установить льготные цены для синьеров (пенсионеров, которым более 65 лет). При стандартной ставке юриста $150–$300 в час, предлагать синьерам эти услуги за $30 долларов в час. Ответ юристов был однозначен — почти все юристы отказались.

Ассоциация поменяла тактику. Они снова разослали письма, но своё предложение заменили на другое — можете ли Вы помочь синьерам и бесплатно консультировать малоимущих стариков? Каково же было их удивление, когда значительная часть юристов приняли это предложение.

Логично ли это?

Почему юристы отказались получать 30 долларов в час, но соглашались работать бесплатно?

Психологи сказали — «Нет ничего удивительного! В наших учебниках всё описано!»

Причина в том, что человек функционирует в двух системах измерения. Одна система — рыночная, а вторая — социальная.

В рыночной системе поведение человека определяет его выгода. Например, если Вы покупаете что-то или идёте наниматься на работу. Главную роль здесь при принятии решения имеет стоимость. Она показывает, сколько стоит товар и готовы ли Вы принять эту цену, или во сколько Вас оценивают другие, и соглашаетесь ли Вы с такой оценкой.

Совсем иначе Вы ведёте себя в социальной системе. Там Вы функционируете в соответствии с общественными нормами. Мы придерживаем дверь, чтобы кто-то мог удобно пройти, и нам вполне достаточно его благодарности. Мы уступим место старушке в автобусе, совсем не ожидая, что она даст нам рубль. Зато такие наши действия повышают нашу самооценку. Они показывают нам, что мы ведём себя в соответствии с общепринятой моралью.

Именно так и повели себя юристы в рассмотренном случае. Они были готовы как работать по обычной таксе (в рыночной системе координат), так и помочь бесплатно из чувства с…