Страница 12 из 32
Рис. 5. Иллюстрация масштабирования объемов и площади поверхностей для простейшего случая квадратов и кубов
Рис. 6. Прочность балки или конечности пропорциональна площади их поперечного сечения
При удвоении всех длин
Площадь поверхности увеличивается в 2 × 2 = 4 (22) раза
Объем увеличивается в 2 × 2 × 2 = 8 (23) раз
Таким образом, при увеличении размеров объекта его объем увеличивается гораздо быстрее, чем площадь его поверхностей. Приведем простой пример: при удвоении всех линейных размеров дома с сохранением его формы объем увеличивается в 23 = 8 раз, а площадь помещений – всего в 22 = 4 раза. Если взять гораздо более радикальный случай и увеличить все линейные размеры в 10 раз, все площади поверхностей – полов, стен, потолков и так далее – увеличатся в 10 × 10 = 100 раз (то есть стократно), а объемы помещений возрастут много больше, в 10 × 10 × 10 = 1000 раз (то есть тысячекратно).
Это обстоятельство чрезвычайно важно для устройства и деятельности многого из того, что нас окружает, будь то здания, в которых мы живем и работаем, или строение животных и растений природного мира. Например, уровни отопления, охлаждения и освещения в большинстве случаев пропорциональны площади поверхности нагревателей, кондиционеров и окон. Поэтому их производительность растет гораздо медленнее, чем объем помещений, которые требуется отапливать, охлаждать или освещать, поэтому при масштабном увеличении здания его потребности в этом отношении возрастают непропорционально. Сходным образом для крупных животных может быть проблематичным обеспечение рассеяния тепла, выделяемого в результате обмена веществ и физической деятельности, так как площадь поверхности, через которую это тепло рассеивается, у них меньше относительно объема тела, чем у животных более мелких. Например, слоны решили эту проблему, отрастив себе непропорционально большие уши, которые существенно увеличивают площадь поверхности их тела и позволяют рассеивать большее количество тепла.
Весьма вероятно, что принципиальное различие между масштабным увеличением поверхностей и объемов осознавали многие и до Галилея. Его дополнительная новая идея заключалась в объединении этой геометрической истины с осознанием того, что прочность колонн, балок и членов тела определяется величиной площади их поперечного сечения, а не длиной. Так, столб с прямоугольным сечением 4 на 10 см (= 40 см²) может поддерживать вес, в четыре раза больший, чем столб из того же материала, линейные размеры поперечного сечения которого в два раза меньше, то есть 2 на 5 см (= 10 см²) независимо от длин обоих столбов. Первый из них может быть длиной 2 м, а второй – 4, это не имеет значения. Именно поэтому строители, архитекторы и инженеры, занимающиеся строительством, классифицируют пиломатериалы по площади поперечного сечения, а в строительных магазинах их снабжают этикетками типа «40 × 40», «40 × 50», «50 × 50» и так далее.
Однако при масштабном увеличении здания или животного их вес возрастает прямо пропорционально объему – если, конечно, материалы, из которых они состоят, не изменяются и, следовательно, их плотность остается той же. Таким образом, удвоение объема приводит к удвоению веса. Это означает, что вес, который поддерживает колонна или конечность, возрастает значительно быстрее, чем увеличивается прочность: вес (как и объем) масштабируется пропорционально кубу линейных размеров, а прочность увеличивается лишь пропорционально их квадрату. Чтобы проиллюстрировать это положение, представим себе дерево или здание, высота которых увеличивается в 10 раз, а форма остается неизменной. Тогда вес, который необходимо поддерживать, возрастает тысячекратно (в 103 раз), а прочность колонны или ствола, поддерживающих этот вес, – лишь стократно (в 102 раз). Таким образом, способность поддерживать дополнительный вес после такого увеличения оказывается равна всего лишь одной десятой исходной величины. Поэтому произвольное увеличение размеров конструкции, какой бы она ни была, рано или поздно приведет к ее обрушению под собственным весом. Размер и рост имеют пределы.
Иначе говоря, по мере увеличения размеров последовательно уменьшается относительная прочность. Или, если использовать яркий образ, который приводит сам Галилей, «в телах меньших замечается даже относительное увеличение [прочности], так, я думаю, что небольшая собака может нести на себе двух или даже трех таких же собак, в то время лошадь едва ли может нести на спине одну только другую лошадь, равную ей по величине»[26].
2. Ошибочные выводы и недоразумения с масштабами: Супермен
Супермен, впервые появившийся на Земле в 1938 г., до сих пор остается одним из величайших кумиров мира фантастики и фэнтези. Я привожу здесь первую страницу первого комикса о Супермене 1938 г., на которой объяснялось его происхождение[27]. Еще младенцем он прилетел с планеты Криптон, «физическое строение обитателей которой на миллионы лет опередило наше. В зрелом возрасте представители его расы приобретали титаническую силу». Действительно, повзрослевший Супермен «легко мог прыгать на ⅛ мили[28], перескакивать через двадцатиэтажные здания… поднимать огромные тяжести… бежать быстрее скоростного поезда…» – и все эти качества торжественно провозглашались в знаменитой заставке к радиопередачам и позднейшим телевизионным сериалам и фильмам: «Он быстрее летящей пули. Он сильнее локомотива. Он может перепрыгнуть через высотное здание одним прыжком. ‹…› Это Супермен!»
Исходный миф о Супермене и объяснение его сверхсилы; начальная страница первого комикса о Супермене 1938 г.
Все это, может быть, и так. Но в последнем квадрате этой же первой страницы мы находим еще одно смелое заявление, настолько важное, что его даже набрали прописными буквами: «НАУЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ПОРАЗИТЕЛЬНОЙ СИЛЫ КЛАРКА КЕНТА… Невероятно? Нет! Ибо прямо сейчас в нашем мире есть существа, обладающие сверхсилой!» В подтверждение этому приводятся два примера: «Скромный муравей может держать вес, в сотни раз превышающий его собственный» и «Кузнечик прыгает на расстояние, которое для человека составило бы длину нескольких кварталов».
Какими бы убедительными ни казались эти примеры, в них проявляются классическое непонимание и ошибочные выводы из достоверных фактов. Муравей кажется, по меньшей мере на первый взгляд, гораздо сильнее человека. Однако, как мы узнали от Галилея, относительная прочность или сила систематически увеличивается с уменьшением размеров. Поэтому при уменьшении масштаба с размеров собаки до размеров муравья из простых правил масштабного изменения силы при изменении размеров следует, что если «небольшая собака может нести на себе двух или даже трех таких же собак», то муравей сможет нести на своей спине целую сотню муравьев такого же размера. Кроме того, поскольку человек приблизительно в 10 миллионов раз тяжелее муравья, из того же рассуждения следует, что человек может нести на себе лишь одного другого человека. Таким образом, муравей на самом деле обладает силой, нормальной для существа его размера, так же как и человек, и в том, что он способен поднять груз, вес которого в сто раз превышает его собственный, нет ничего необычного или удивительного.
Это недоразумение возникает из-за естественной склонности к линейному мышлению, которое подразумевает, что удвоение размеров животного приводит к удвоению его силы. Будь это так, мы были бы в 10 миллионов раз сильнее муравьев и смогли бы поднимать около тонны, что соответствует способности Супермена поднимать более десяти человек за раз.
26
Галилей Г. Указ. соч., с. 217.
27
J. Shuster and J. Siegel. Superman. Action Comics. 1938. 1.
28
Около 200 м. – Прим. ред.