Газоразрядные трубки, яркий вклад в появление которых внес стеклодув и изобретатель Генрих Гейслер, поначалу получили большую популярность как занятная [...]]]> Попаданец, соорудивший источник высокого напряжения, например, электрофорную машину или катушку Румкорфа, может использовать его для питания газоразрядных (или газосветных) трубок.
Такие трубки уже упоминались в статье про рентген, но этот вопрос можно рассмотреть более подробно.

Газоразрядные трубки, яркий вклад в появление которых внес стеклодув и изобретатель Генрих Гейслер, поначалу получили большую популярность как занятная научная диковинка, а впоследствии привели к открытию рентгеновских лучей, электрона и многого другого.

Газоразрядная трубка снабжается двумя электродами, впаянными в стекло. Для возбуждения тлеющего разряда в газе оптимальным является разряжение около 10 мм. рт. ст., такое разряжение легко получить водоструйным насосом. Разряжение можно получить и вовсе без насоса, просто заполнив трубку углекислым газом и поместив внутрь кусочек едкого натра или кали. Примитивную газоразрядную лампу возможно сделать даже из стеклянной бутылки и резиновых пробок, хотя долго работать она не будет.
Необходимое напряжение зависит от размеров трубки, давления и состава газа, и обычно составляет несколько киловольт.
Газоразрядные трубки могут служить не только диковинкой или демонстратором «магии» попаданца, но и для вполне практических целей, например, освещения. Поскольку простая электрофорная машина способна выдавать лишь считанные ватты (в лучшем случае десятки ваттов) мощности, лучше использовать катушку Румкорфа, питаемую от гальванического элемента.

Трубки, заполненые углекислым газом и известные как лампы Мура, на рубеже XIX и XX вв. весьма успешно конкурировали с лампами накаливания, поскольку имели достаточно высокую светоотдачу (около 10 люмен на ватт, что в три раза больше ламп накаливания с угольной нитью) и приятный белый свет, хотя и требовали периодической дозаправки газом, постепенно реагирующим с металлическими электродами, для чего использовались достаточно хитроумные автоматические вентили.

Интересно что Жюль Верн в «20 тысяч лье под водой» оснастилил «Наутилус» капитана Немо такими же лампами.
Но появление ламп накаливания с вольфрамовой спиралью в 1910 г. отправило лампы Мура в историю.

Примерно в это же время появились газосветные трубки, наполненые благородными газами, и имеющие за счет этого гораздо больший ресурс. Для освещения такие лампы уже не применялись, зато получили огромную популярность в виде неоновой рекламы, лишь в последние 10-15 лет практически вытесненной светодиодами.
Из всех благородных газов попаданцу легко доступен аргон, которого в воздухе 0.93%. Если герметично запаять трубку, в которой находится кусочек магния, и затем этот магний осторожно нагреть, магний поглотит весь кислород и азот воздуха, оставив аргон под давлениеи около 7 мм. рт. ст. Как раз такое давлени и нужно. Свечение чистого аргона имеет фиолетовый цвет.

Если же добавить в трубку каплю ртути, свечение приобретет яркий синий цвет.

Именно эта комбинация и использовалась наиболее широко наряду с самим неоном, дающим красно-оранжевый свет.
Одно из замечательных качеств гейслеровских трубок — узкие спектральные линии излучения, что делало эти источники света незаменимыми в тонких научных исследованиях. А излучение трубки с парами кадмия близко к когерентному, и это свойство было использовано Майкельсоном для приведения метра к длине волны света.

Как это часто бывает, стеклоуглерод был открыт [...]]]> Углерод служит основой множества материалов с самыи разнообразными свойствами, от алмаза и графита до фуллерена и графена. Вряд ли попаданец сможет получить хоть какую-то пользу от графена, даже если научится его делать, но есть весьма интересный углеродный материал, применение которому может найтись и в древности.
Это стеклоуглерод.

Как это часто бывает, стеклоуглерод был открыт случайно. Бернард Редферн, занимающейся разработкой керамики для ракетных сопел в The Carborund Company в Манчестере, заметил, что липкая лента, которой крепили образцы в печи для обжига, после воздействия высокой температуры не просто обуглилась, а превратилась в необычный блестящий материал.
Вскоре было найдено, что лучший исходный материал для стеклоуглерода это фенольные смолы, и было начато производство различных изделий, в первую очередь химических тиглей.
Для изготовления предметов из стеклоуглерода сначала нужно сделать прототип из резольной фенол-формальдегидной или фурановой смолы, причем в увеличенном масштабе, и затем медленно нагревать до высокой температуры в отсутствие кислорода (в вакууме, азоте или аргоне). При этом сначала происходит пиролиз, а затем структурная перестройка образующегося кокса.
Пиролиз сопровождается уменьщением размеров почти в 2 раза, при этом очень равномерным — если сделать из смолы болт и гайку, подходящие друг к другу и раздельно карбонизовать при одной и той же температуре одинаковое время, то полученные детали из стеклоуглерода тоже будут подходить друг к другу.
Конечные свойства стеклоуглерода зависят от температуры пиролиза, которая может быть от 900 (при этом достигаются максимальные механические свойства) до более чем 2000 градусов.
Стеклоуглерод очень стоек к нагреванию (на воздухе выдерживает 500 градусов, а в инертной среде — до 3000, причем, в отличие от всех остальных форм углерода, не превращается при этом в графит), прочный и твердый (7 по шкале Мооса), не пропускает газы, химически инертный и хорошо проводит ток и тепло. Поэтому стеклоугрерод во многих случаях с успехом заменяет платину, как материал для особо устойчивых сосудов и электродов. Кроме того, этот материал обладает биосовместимостью, из него даже делают искуственные сердечные клапаны. И наконец, изделия из стеклоуглерода выглядят весьма необычно и достаточно привлекательно

Большая ложка дегтя состоит в том, что производство стеклоуглерода весьма время- и энергозатратно. Из-за низкой газопроницаемости заготовки приходится выдерживать при высокой температуре очень долго, например, для тиглей с толщиной стенки 3 мм может потребоваться неделя или даже больше. Но, тем не менее, принципиальных сложностей для получения стеклоуглерода нет, и попаданец вполне может найти ему применение

Пламя обычной свечи или масляной лампы имеет достаточно невысокую температуру, потому что топливо сгорает в условиях недостатка кислорода. Если же вдувать дополнительный воздух в пламя через трубку с тонким отверстием, то пламя принимает вид острого языка, [...]]]> Паяльная трубка — это простое, но крайне полезное приспособление, которое служит человечеству уже не одну тысячу лет.

Пламя обычной свечи или масляной лампы имеет достаточно невысокую температуру, потому что топливо сгорает в условиях недостатка кислорода. Если же вдувать дополнительный воздух в пламя через трубку с тонким отверстием, то пламя принимает вид острого языка, в котором достигается очень высокая температура.

Сложно сказать, где и когда впервые использовали паяльную трубку (самое раннее изображение датируется 2400 г до н.э., в Египте), но она была обычным инструментом ювелиров и стеклодувов с древних времен и до появления газовых горелок. А в развивающихся странах ювелиры до сих пор используют паяльную трубку.

Стеклодувы, изготавливавшие термометры, научную аппаратуру и стеклянные украшения, в XVIII в перешли на подачу воздуха мехами, которые качал помошник или сам стеклодув ногой.

Все это, конечно, полезно для попаданца, ведь ему наверняка придется паять твердыми припоями, спаивать стеклянные трубки, плавить сферические линзы для простейшего микроскопа и т.д., но самое полезное применение паяльной трубки другое — это химический анализ.
Впервые использовать трубку для анализа начали в XVII в, а трудами Берцелиуса, Гана и многих других химиков огневой анализ стал очень информативным методом. С помошью паяльной трубки были открыты более десяти новых элементов! Суть анализа состоит в том, что испытуемое вещество (например, какой-нибудь минерал) подвергается действию окислительного или восстановительного пламени, на куске древесного угля, глиняной или гипсовой пластинке.

По поведению вещества (плавление, изменение цвета, окрашивания пламени, образование корольков металла или налетов на угле или гипсе), а также окрашивании капельки расплавленной буры с крупинкой вещества можно определять большое количество элементов, и даже их примерное содержание (например, по размеру королька металла). Вся аппаратура для анализа очень проста, не занимает много места и идеальна для использования в полевых условиях.

С помошью паяльной трубки можно осуществить в миниатюре практически все процессы выплавки металлов (обжиг руды, плавка, купелирование и т.д.) и за очень короткое время — буквально несколько минут — понять, стоит ли эту руду пытаться плавить в печи. Нагревая в пламени паяльной трубки образец глины, можно сразу же оценить ее степень огнеупорности.
С появлением более совершенных методов, в первую очередь спектрального анализа Бунзена и Кирхгоффа, а также развития мокрых методов анализа, огневой анализ быстро утратил свое значение, однако попаданцу этот метод может оказать огромную помошь.

В начале 1750-х стала понятной электрическая природа молнии. Примерно в то же [...]]]> И вот мы опять на неизвестной планете и хотим хотя бы в общих чертах ознакомиться с местной географией. Только вот ни сейсмографа, ни телескопа, ни даже воздушного шара с камерой мы не захватили. Получится ли у нас что-нибудь сделать из г-а и палок?

В начале 1750-х стала понятной электрическая природа молнии. Примерно в то же время ученые заметили удивительный факт — даже в спокойную погоду наблюдается электрическое поле и два изолированных предмета на разной высоте имеют разный электрический потенциал. Более того, в начале 19 века Schiibler установил что в течении дня это поле(после усреднения за десятки-сотни дней) изменяется одинаковым образом, с главным максимумом в 19:00 по лондонскому времени и основным минимумом в 4:00. Эти экстремумы — прямое свидетельство существования Америки и Тихого океана.

Как мы уже отмечали, Земля в целом является неплохим проводником. По очевидным причинам, ионосфера тоже хорошо проводит электрический ток. Но между ними расположена атмосфера, которая является очень плохим проводником — ее общее сопротивление, несмотря на сечение в 500 миллионов квадратных километров, составляет около 200 Ом. Грозовые разряды сообщают Земле отрицательный заряд, а ионосфере положительный, с разницей потенциалов до 400 КВ. Через атмосферу постоянно протекает ток в 1-2 тысячи ампер, разряжающий этот гиганский конденсатор.

Соответственно разница потенциалов сильно зависит от текущей активности гроз, корреляция атмосферного электрического потенциала и грозовой активности — 0.94, это очень высокая величина, прямо свидетельствующая о прямой связи. А грозы в основном происходят в в низких широтах над сушей. Более того, они в основном происходят в течении нескольких часов в середине дня, когда солнечный свет усиливает конвекцию в кучево-дождевых облаках.

На первой иллюстрации(сверху) мы видим районы максимальной грозовой активности. На иллюстрации ниже — вклад гроз разных континентов в формирование атмосферного потенциала.

Из этого графика евразийский наблюдатель однозначно выведет существование большого материка к западу от Европы и океана западнее этого материка.

Хорошие новости — для наблюдений достаточно деревянного шеста, заполненного водой горшка с дыркой(капли воды, вытекая из горшка, будут уносить заряд, выравнивая потенциал), пары проводов(от заземления и от горшка) и электроскопа(пара кусочков фольги, которые будут притягиваться друг к другу, показывая разность потенциалов). В общем уровень античности и даже древнего мира.

Плохие новости — «увидеть» нужную кривую за пару дней не получится. Влияние локальных элетрических зарядов облаков и вариаций проводимости воздуха на порядок-другой сильнее глобальных колебаний. Во-первых измерения надо проводить в хорошую погоду(fair weather): полное отсутствие осадков/аэрозолей/кучевых облаков, минимальная облачность, ветер от 1 до 8 м/с. Во-вторых, даже после этого данные придется усреднять за много дней/мест измерения. Для океанских островов хватит нескольких месяцев измерений, для материка — нескольких лет. Антарктиду и большую часть Евразии метод не видит — недостаточно грозовой активности.

P.S. Говоря о атмосферном электричестве, надо упомянуть и о «возможности» его практического использования. (именно атмосферного тока, относительно реальную грозовую энергетику рассматривать не будем)

Сеть полна фриков, рассказывающих про секретные технологии получения атмосферного электричества и про заговоры Ротшильдов/Чубайсов скрывающих от народа источник даровой энергии. Умножив приведенные выше цифры максимального напряжения и тока(400,000 В и 2000 А) нетрудно прикинуть мощность всего атмосферного тока — меньше гигавата(порядка мощности солнечного света на площади в один квадратный километр). Современная средняя мощность электростанций мира порядка 3,000 гигаватт. Уже в 1900 она была порядка гигаватта(тепловая мощность для того же года — порядка 700 ГВт) и в 1910 увеличилась вчетверо. В общем Ротшильдам явно нечего бояться.

В любом случае плотность атмосферного тока — порядка микроампер на квадратный километр. Самая примитивная солнечная электростанция из парника+трубы+ветряка выдаст на порядки больше энергии чем атмосферная станция того же размера.

Отдельные фрики рассуждают про уменьшение сопротивления воздуха за счет генерации свободных ионов. Проблема в том что генерируемые ионы будут экранировать наш электрод, а скорость их диффузии будет ограничена малой длиной свободного пробега в воздухе. Мы уже рассматривали все соответствующие формулы в теме про ионолет. Применимы они и к этому случаю, просто подставьте в 5,000 раз меньший градиент потенциала(сотню В/м вместо 500 КВ/м). Нетрудно прикинуть что никаких качественных улучшений добиться не получится. Точка.

Лазер это генератор света на основе индуцированного излучения. Эффект индуцированного излучения был предсказан еще Эйнштейном в 1917 году, за четыре десятка лет до создания лазеров, и заключается он в следующем — если рядом с возбужденным [...]]]> Как только попаданец обзаводится ручными акулами, он сразу начинает подумывать о изготовлении лазера. Давайте посмотрим, получится ли это у него.

Лазер это генератор света на основе индуцированного излучения. Эффект индуцированного излучения был предсказан еще Эйнштейном в 1917 году, за четыре десятка лет до создания лазеров, и заключается он в следующем — если рядом с возбужденным атомом проходит фотон с энергией равной энергии необходимой для возбуждения, то атом излучает абсолютно такой же фотон. Благодаря тому что излучение индуцированно, энергия может выделяться очень быстро и лазер может иметь огромную мгновенную мощность, благодаря когерентности излучения его легко фокусировать. Все эти свойства крайне интересны технологам и нас окружает огромное количество лазеров — от лазерных указок и прицелов, до оптоволоконных передатчиков и лазерных дисководов, от любительских лазерных граверов, до промышленных лазерных станков. Боевые лазеры, квантовая связь, телескопы на адаптивной оптике, лазеры инициирующие термоядерную реакцию, несть им числа.

Это чудовищно наукоемкая отрасль промышленности, так что смешно даже думать что знания среднего попаданца смогут принести заметную пользу. Но может быть у него получится сделать хотя бы простейший лазер? От предсказания Эйнштейна до создания лазера прошло почти сорок лет. Объясняется ли этот перерыв какими-то туманными достижениями технологии на которые любят кивать в любой дискуссии о попаданцах или его можно объяснить открытием относительно простых принципов?

В общем случае лазер состоит из трех частей: активная среда — вещество которое в возбужденном состоянии будет излучать фотоны, система накачки — устройство которое передает энергию среде, переводя ее в возбужденное состояние, и оптический резонатор — пара зеркал, которые заставляют луч многократно проходить через активную среду.

Прежде всего неплохо бы избавится от резонатора. Качество поверхности зеркал резонатора, полупрозрачность одного из них, установка зеркал в параллельном положении — мы определенно не хотим со всем этим связываться. К счастью, резонатор необязателен, по крайней мере для некоторых активных сред. Если индуцированное излучение в среде растет достаточно быстро — например удваивается каждый сантиметр, то для лазера достаточно столбика среды в десяток сантиметров и мы можем обойтись без резонатора.

И какая же из подходящих сред самая доступная? Нам ведь не хочется выращивать синтетические рубины или синтезировать легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид…

Оказывается, Господь Бог в своей бесконечной мудрости наделил подходящими свойствами основной компонент нашей атмосферы — азот, он более чем доступен и индуцированное излучение в нем удваивает мощность каждую пару сантиметров. Шах и мат, атеисты! С другой стороны Люцифер означает «светоносный»…

Атомный реактор возбуждают фотки замедляющих стержней, но что же возбуждает азот? Вполне достаточно обычного высоковольтного разряда. Есть только одна маленькая проблема. При атмосферном давлении атомы ударяются так часто, что возбужденное состояние атома азота сбрасывается за наносекунды. Так что нам всего навсего надо сделать устройство успевающее выдавать разряды за миллиардные доли секунды…

Идеальный конденсатор способен выдать сколь угодно короткий импульс, но реальный конденсатор обладает индуктивностью. При протекании по проводнику тока образуется магнитное поле, сила которого пропорциональна силе тока, на образование магнитного поля надо затратить энергию — она отбирается от самого тока. Так что чем меньше индуктивность, тем быстрее идет разряд. Представим себе два параллельных проводника, по которым ток течет в противоположных направлениях. Проводники создают противоположное магнитное поле. Если бы они были бесконечно близки, то их поля полностью нейтрализовали друг друг. На деле они находятся на некотором расстоянии, так что нейтрализация не идеальна — тем они ближе тем она лучше. На образование небольшого магнитного поля надо затратить меньше энергии — значит индуктивность системы меньше. Конденсатор при разрядке можно представить как множество таких проволочек, сливающихся в пластины. Чем ближе пластины — тем меньше индуктивность. Для нашего наносекундного разряда достаточно зазора порядка десятой миллиметра. Если сделать воздушный зазор, то он будет пробит уже при напряжении в сотни вольт, на порядок меньше чем нам надо, так что нужна более надежная изоляция. Попаданец может использовать слюду или вощеную папиросную бумагу, ну а мы можем использовать разрезанный офисный файлик.

За счет того что разряд длится наносекунды мы получаем еще один бонус. Обычный высоковольтный разряд образует искру. При разряде один из участков обладает чуть большей проводимостью, значит по нему течет больший ток, он нагревает воздух сильнее, это еще больше увеличивает его проводимость — положительная обратная связь. В результате ток разряда концентрируется в небольшой искре. Если мы поместим рядом две полоски металла, то обычный разряд искрой ионизирует лишь небольшую долю пространства между ними. Быстрый же разряд не успеет собраться в искру и возбудит весь столбик воздуха между ними.

Теперь большинство молекул азота в этом столбике возбуждены. Из-за взаимных ударов они быстро теряют избыток энергии, высвобождая его в виде ультрафиолетовых фотонов с длиной волны 337.1 нанометров. Те фотоны которые летят вдоль столбика вызывают лавину индуцированного излучения — фотон индуцирует излучение своих копий близлежащими молекулами, новые фотоны, в свою очередь, индуцируют другие молекулы. Из столбика азота вырывается импульс лазерного излучения.

Скорость происходящих процессов поражает воображение. От начала разряда до поглощения мишенью лазерного импульса проходит десяток наносекунд. За это время в комнате практически ничего не происходит — 10 наносекунд относительно секунды это примерно то же что секунда относительно трех лет…

Часто лазерный импульс представляют как множество абсолютно одинаковых фотонов. Как можно догадаться из предыдущего описания, фотоны не движутся абсолютно одинаково — лавину вызывают несколько фотонов, направленных более или менее вдоль линии столбика возбужденного газа. А если вспомнить о том что любой фотон обладает свойствами волны, то становится понятно что даже если лавину вызовет один единственный фотон, то луч все равно будет расходиться. И частота фотонов также незначительно отличается — примерно на десятую нанометра. Это вызвано тем что молекула представляет собой сложную систему вибрирующих относительно друг друга электронов и ядер, при возбуждении энергия запасается и разряжается разными комбинациями этих вибраций.

Так как именно устроен простейший лазер? Посмотрим на схему. Сначала высоковольтный источник (1), скажем электрофорная машина(пример), заряжает конденсатор (2). Конденсатор, как мы уже говорили, имеет очень маленький зазор, и одна из его пластин разрезана пополам. На половинках лежат электроды (3), соединенные спиралькой индуктивности (4). Идут миллисекунды, по мере зарядки напряжение на конденсаторе растет, пока оно не становится достаточно большим для срабатывания разрядника (5) — пары острых электродов, разделенных воздушным промежутком в несколько миллиметров.

После пробоя разрядника правая половина конденсатора разряжается за какие-то пару наносекунд, но высокая индуктивность спирали (4) не позволяет пропустить наш заряд так быстро. Напряжение между правой и левой половинками растет и нетерпеливый заряд с левой половинки начинает идти прямо через воздух в том месте, где расстояние между электродами (3) минимально. Этот разряд возбуждает молекулы азота и уже через наносекунду-другую столбик газа испускает лазерный импульс.

Пара практических секретов для наладки. Место разряда надо приподнять над пластиной конденсатора, для этого под один из электродов подкладывают провод. Нормального объяснения почему это надо не знают даже профессора занимающиеся лазерами… Расстояние между электродами лучше регулировать при помощи деревянной палочки, потому что высокое напряжение и конденсатор. И запаситесь файликами, их понадобится много…

На второй иллюстрации вы можете видеть все устройство(видеоинструкция). Готово! Из г%%%а и палок фольги и проводов за полчаса мы собрали устройство за создание которого была выдана Нобелевская премия 1964 года! Если быть точным, то Таунс, Басов и Прохоров в 1954-ом использовали более сложную схему — мазер(микроволновый лазер) на аммиаке, в 1960-ом был создан классический рубиновый лазер, а наша схема(TEA nitrogen laser — Transverse Electrical Excitation at Atmospheric pressure) была придумана лишь в конце шестидесятых. Хороший пример того как дополнительные знания позволяют найти более простые пути.

Итак, попаданец определенно сможет произвести впечатление на ученых девятнадцатого века или начала двадцатого(в более ранние периоды простой электрический разряд впечатлит хроноаборигенов больше чем когерентность лазерного пучка). Сможем ли мы найти более практичное применение?

Лазерный микрофон — хорошая штука. Правда у нас импульсный лазер, так что частоту импульсов придется поднять хотя бы до килогерца. Добавим что лазер для этого не обязателен, по слухам Лев Термен в шарашке в 1947 создал аналог на обычном инфракрасном излучателе.

Связь? Нам понадобится оптическая система для получения узкого луча, но обычное стекло плохо пропускает ультрафиолет и для ультрафиолета требуется намного более высокое качество оптических поверхностей.

Контрольный инструмент в строительстве? В современных небоскребах специально оставляют технологические отверстия для того чтобы здание можно было просвечивать сверху донизу, но масштабы строительства попаданца будут куда скромнее.

Скорее всего самым практичным применением будет распускание слухов о супероружии для дезинформации противника. Такой вариант неплохо обыгран в цикле Величко «Кавказский принц«.

В любом случае сама возможность создания лазера на коленке вдохновляет.

Этот явление обычно объясняют законом Бернулли, который мы уже упоминали в статье о профиле крыла. Якобы, в любой [...]]]> Многим известен простой, но эффектный опыт. Направьте вверх фен и введите в струю воздуха шарик для пинг-понга. И шарик повиснет в воздухе! Фен можно даже немного отклонить в сторону, но шарик все равно продолжит висеть в струе.

Этот явление обычно объясняют законом Бернулли, который мы уже упоминали в статье о профиле крыла. Якобы, в любой быстро движущейся струе автоматически понижается давление, и в эту область пониженного давления и засасывает шарик. Это неверное объяснение. Запомните простой и многократно проверенный факт:

Струя, не ограниченная стенками, называется «свободной струей». Если не рассматривать несколько экзотических случаев (нестационарную задачку, сверхзвуковые течения, продольный вихрь вдоль оси струи), то давление в свободной струе равно давлению окружающего газа. via

Что же происходит? Струя воздуха увлекает за собой прилегающие слои воздуха, и им на смену притекает другой воздух, по направлению к струе. Именно из-за притока воздуха сбоку давление в струе практически равно атмосферному — плотность воздуха очень мала и даже небольшая разность в давлении создает большую силу, которая быстро перемещает воздух и выравнивает давление. Это называется эжекцией и мы уже рассматривали использующий это явление паровой инжектор. Именно эти потоки воздуха, сходящиеся к центральной струе, и стабилизируют шарик.

Для этого необходимо именно движение струи газа или жидкости в среде. Поэтому если вы дунете в пространство между двумя листками бумаги то они притянутся друг к другу. Но два корабля идущие параллельными курсами или самолет и посадочная полоса НЕ БУДУТ испытывать взаимного притяжения.

Обычно в этом месте вспоминают про столкновение «Олимпика» и «Хоука», которое было неверно описано Перельманом как притягивание кораблей в результате зоны пониженного давления между ними, которая якобы возникает всякий раз когда вода входит в узость. Реальное распределение сил вы можете видеть на 2-ой иллюстрации, взятой из «Популярной механики», 1931.

Действительно существует локальная зона пониженного давления, у кормы, создаваемая работой винта, засасывающего воду из окружающей среды. При выключении винта эта зона исчезает и два корабля могут свободно пройти друг мимо друга. Зона достаточно велика, а вот понижение давления в ней относительно невелико из-за парадокса, проиллюстрированного Фейнманом в эксперименте с S-образной трубой(книга, искать «S-образная труба»). Вы можете сами заметить этот парадокс просто поднеся руку к вентилятору — позади от вентилятора поток чувствуется гораздо слабее чем спереди. Дело в том что выбрасывается струя в одном направлении, а засасывание происходит с разных направлений — сзади и сбоку от винта, поэтому площадь засасывания быстро растет с удалением от винта, а скорость потока, соответственно, уменьшается.

При параллельном прохождении кораблей сравнимых размеров действие этой зоны компенсируется зоной повышенного давления у носа, в худшем случае возникает момент силы, поворачивающий корабли друг ОТ друга, естественно такой поворот не может вызвать столкновения. И лишь в случае когда небольшой корабль подходит к корме большого, винт которого работает на полную мощность, малый корабль может увлечь в эту зону пониженного давления. Именно это и произошло в случае с «Олимпиком» и «Хоуком» — их водоизмещения различаются в 6.5 раз.

Вернемся к опыту с шариком. По-видимому он был известен еще Герону Александрийскому. Для подвешивания шарика Герон использовал поток пара из котла.

Так что попаданцу вряд ли удастся удивить таким образом местных мудрецов, но позабавить публику он сможет. Даже избалованного зрелищами современного человека впечатляет этот опыт, что уж говорить о хроноаборигенах. Для развлечения этот способ использовали по-крайней мере с 16 века в Испании, так называемое танцующее яйцо. Пустое яйцо клали в струю фонтана, где оно и вертелось, развлекая зевак.

Все что понадобится попаданцу это бадья воды, колено или шлаг, чтобы получить вертикальную струю воды и пустая скорлупка яйца. Лично мне для подвешивания яйца хватило метрового куска шланга.

Мы уже предлагали капельницу Кельвина как простой способ удивить окружающих. Фокус с танцующим яйцом также может помочь попаданцу. А какие простые, но эффектные физические опыты знаете вы?

Обыватель немного знает о графене, но [...]]]> Графен — уникальный материал, хлопья графита толщиной в атом. В наш век, когда любое уникальное вещество быстро находит десятки применений в разных областях, на графен сразу обратили самое пристальное внимание. Авторы метода получения графена стали лауреатами Нобелевской премии, а их статья вошла в сотню самых цитируемых статей в истории.

Обыватель немного знает о графене, но благодаря множеству баек о скотче он твердо знает что получить его несложно. Нужно просто взять кусок графита, оторвать несколько чешуек скотчем и затем слеплять и разлеплять скотч, пока чешуйки не расслоятся до толщины в атом. Естественно такой простой способ прославиться неизбежно привлекает внимание попаданца.

К сожалению, не все так просто. Прежде всего попаданцу надо будет достать не обычный графит из карандашей, а высокоорентированный пиролитический. Его получают отжигом при 3300 К, так что изготовить его на кухне вряд ли получится.

Полученные одноатомные пленки имели размер в сотую миллиметра — т.е. при работе с ними не обойтись без хорошего микроскопа. Разница в прозрачности у одно- и двухатомной пленки — проценты. Опытный экспериментатор определяет разницу на глаз, но сколько времени уйдет на обучение у попаданца?

И наконец, попаданцу придется доказать что он действительно получил графен, проведя эксперименты по определению тепловой и электрической проводимости, прочности и других свойств. Опыты с кусочками вещества, которые без микроскопа и не увидишь.

В общем ситуация напоминает о проблемах с получением пенницилина — и графен и пенницилин можно назвать «ложными друзьями попаданца».

В криптографии есть несколько эмпирических [...]]]> Несколько лет назад одного британского айтишника надолго посадили за сотрудничество с террористами, с которыми он переписывался посредством самопального шифра, запрограммированного в Экселе. Несмотря на то, что ему вполне была доступна современная криптография, некомпетентность его подвела и легко вскрытая правоохранительными органами переписка была использована против него же в суде. Oops…

В криптографии есть несколько эмпирических законов, самый главный из которых формулируется очень просто: никогда не изобретайте собственный шифр! Шифры изобретают либо новички-дилетанты, либо специалисты по криптографии. В первом случае шифр легко ломается специалистом или даже просто более-менее соображающим дилетантом, во втором… бывает по-разному, особенно с учетом бурного роста производительности компьютеров. Но некоторые шифры выдерживают испытание временем. Об одном таком шифре и пойдет речь.

Для применения большинства современных надежных шифров требуется наличие более-менее приличной ЭВМ. Но, к счастью, есть шифр, который доступен в любые века и времена и не требует серьезных вычислительных мощностей, оставаясь принципиально невзламываемым. Более того, это единственный на сегодняшний день шифр, невзламываемость которого доказывается математически (это доказал Клод Шеннон в 1945 году). Знакомьтесь: шифр Вернама, или, как его еще называют в бумажном варианте, одноразовый шифроблокнот.

Но, прежде, чем речь пойдет о самом шифре, следует вспомнить историю криптографии. На эту тему очень рекомендую книгу «Взломщики кодов» Дэвида Кана, в ней хорошо показано как на протяжении многих столетий шифр и дешифровка всегда шли ноздря к ноздре, причем пресловутые «черные кабинеты» чаще всего опережали примитивную криптографию, а последствия зачастую имели серьезнейшие масштабы: достаточно вспомнить печально известную телеграмму Циммермана. И, несмотря на то, что тот же шифр Виженера в реальной истории взломали достаточно поздно, кто знает — не попадет ли ваша шифровка в руки какого-нибудь местного Блеза Паскаля и не торкнет ли его от простой идеи переписать сообщение колонкой шириной в предполагаемую длину ключа и анализировать колонки? А если от безопасности ваших сообщений зависит ваша жизнь, не лучше ли использовать то, что не взломает ни гений из прошлого, ни АНБ из настоящего, ни пришельцы из будущего? Ну, при дОлжном соблюдении технологии шифрования? А?

Кстати, о соблюдении технологии. В ней кроется и ахиллесова пята одноразового шифроблокнота. Нарушение правил ведет к тому, что абсолютно надежный шифр превращается в достаточно легко взламываемый. Пример тому — советская переписка, небольшой процент которой американцам удалось вскрыть благодаря тому, что в результате раздолбайства НКВД в сороковые годы часть случайных последовательностей использовалась неоднократно (см. проект VENONA). Как следствие, вскрытие шпионской сети Розенбергов, укравших для СССР секрет атомной бомбы.

Итак, как это работает. Для шифрования открытого текста используются шифрблокноты, на каждом листе которых написана последовательность случайных цифр. Как у отправителя, так и у получателя должны быть два заранее составленных одинаковых шифроблокнота.

Вначале надо превратить ваш текст в цифры. Для этого используется сжимающая таблица (straddling checkerboard). В каком-то смысле это аналог алгоритмов, лежащих в основе zip, rar и т.п., только таблица сжатия у нас фиксированная. Нет, вы конечно можете и просто сопоставить буквам цифры по принципу А=1, Б=2 и т.д, но из-за избыточности языка вы будете вынуждены потом шифровать где-то на треть больше. Просидев несколько часов с карандашом за тупой арифметикой, вы быстро оцените достоинства сжимающей таблицы…

Для создания сжимающей таблицы запоминаем: А И ТЕСНО. Тут задействовано семь самых часто встречающихся букв в русском языке. Для английского берем скажем AT ONE SIR (в английском языке меньше букв и можно обойтись только двумя доп. строками) и т.п. Составляем таблицу, в первой строке которой идут часто встречающиеся символы, а в остальных остатки алфавита. Обратите внимание, что в первой строке не задействованы цифры 8, 9 и 0, и они же обозначают, что буква (реже встречающаяся) кодируется не одной цифрой, а двумя. Итак, для кодирования буквы ищем ее, если она находится в первой строке, то мы выбираем номер ее колонки (например Т=3), если она в остальных колонках, то мы вначале выбираем номер ее строки, а потом номер колонки, например Б=81, а ?=07:

    1   2   3   4   5   6   7   8   9   0
    А   И   Т   Е   С   Н   О
8   Б   В   Г   Д   Ж   З   К   Л   М   П
9   Р   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Щ   Ъ   Ы
0   Ь   Э   Ю   Я   .   ,   ?

Можно добавить еще-что-то полезное в оставшиеся три ячейки в последней строке (в реальности кроме букв часто использовались специальные коды для начала передачи цифр, начала передачи специальных кодов из кодовых таблиц и т.п.). Итак, нам надо зашифровать короткое сообщение:

ПОБЕГ ЗАВТРА

Первая буква сообщения находится во второй строке таблицы, так что берем номер строки, а потом номер колонки: 80. Далее вторая буква имеет высокую частоту и находится в первой строке, поэтому берем только ее колонку: 7. Получаем последовательность цифр. Добиваем нулями последнюю группу до пяти цифр:

80781 48386 18239 11000

Цифры желательно записывать группами по пять. Так модно у связистов это нужно вам же самим, т.к. пять цифр проще всего удержать в памяти и ничего не перепутать. Это полезная практика, которой так же обучают радистов при работе с азбукой Морзе.

Но ПОКА ЧТО это еще не шифр! Закодированный вышеприведенным способом текст уже заметно сложнее взять в лоб простым частотным анализом, но все равно на шифр оно никак не тянет. Теперь выдираем страницу из одноразового шифроблокнота, приведенного на иллюстрации и начинаем с ней работать. Внимание! Никогда нельзя в шифровке указывать номер страницы шифроблокнота, чтобы не дать возможность проанализировать последовательность шифровок или угадать время ее отправки (что может оказаться не менее критичным, чем ее содержимое)! Вместо этого для идентификации страницы используется первая группа, ее не следует использовать для шифрования, а записать как есть. Под цифрами шифровки записываем цифры одноразового кода начиная со второй группы, после чего складываем цифры в каждой колонке, всегда отбрасывая возникающий перенос:

        80781 48386 18239 11000
+
  14358 89753 24133 40169 26799
=
  14358 69434 62419 58398 37799

Вот это уже и есть шифровка:

14358 69434 62419 58398 37799

Теперь осталось сжечь страницу, с помощью которой мы шифровали, и отправить нашу шифровку по назначению. Получатель достанет свою копию шифроблокнота, найдет нужную страницу по первой группе и произведет вначале обратную операцию, вычитая из каждой цифры шифровки цифру с шифроблокнота, всегда отбрасывая минус. Затем возьмет сжимающую таблицу и с помощью нее уже окончательно раскодирует текст. Точно так же — берем 8, ага, это вторая строка, 0 колонка, значит первая буква П., и так далее. А потом тоже сожжет свою копию и больше никто и никогда не сможет расшифровать перехваченное сообщение. А если шифроблокнот будет вовремя уничтожен, то и терморектальный криптоанализ не поможет в расшифровке: ни один человек не в состоянии вспомнить хотя бы полстраницы шифроблокнота со случайными числами.

Ну, а теперь самое главное (и самое трудоемкое): как сгенерировать достаточное количество случайных чисел. Ведь одноразовый шифроблокнот предполагает уничтожение каждой страницы после расшифровки, и для передачи определенного объема текста надо такое же количество случайных данных! Это и является вторым недостатком одноразового шифроблокнота: создание шифроблокнотов занятие длительное и трудоемкое, причем надо суметь создать реально случайную последовательность. Первое, что приходит в голову, это взять кости и накидать набор чисел, вот только на обычных игральных костях всего лишь цифры от 1 до шести, а кидать пару костей и складывать цифры нельзя, т.к. распределение суммы уже подчиняется вполне понятной закономерности и у вас выйдет не совсем случайная последовательность цифр. Можно конечно попробовать сделать кость на d10, как на иллюстрации справа, но попробуйте ее выточить напильником с достаточной точностью!

Если же использовать обычные игральные кости, то надо составить таблицу и уже использовать ее для генерации случайных чисел, кидая кость для каждого числа два раза, игнорируя последовательности, начинающиеся с шестерки:

 11 = 0    21 = 6    31 = 2   41 = 8   51 = 4
 12 = 1    22 = 7    32 = 3   42 = 9   52 = 5
 13 = 2    23 = 8    33 = 4   43 = 0   53 = 6
 14 = 3    24 = 9    34 = 5   44 = 1   54 = 7
 15 = 4    25 = 0    35 = 6   45 = 2   55 = 8
 16 = 5    26 = 1    36 = 7   46 = 3   56 = 9

Так же можно использовать шары лото, пронумерованные от 0 до 9. При этом, достав шар и записав его номер, его необходимо положить обратно и перемешать всю кучу, иначе опять же возникнут проблемы с распределением.

Процесс генерации случайных чисел вручную дьявольски трудоемкий, а с учетом того, что в военное время объемы шифрованной переписки вырастает в порядки, понятно, что одноразовый шифроблокнот может быть использован только для передачи самой важной информации.

Но! Вооружившись всего лишь карандашом, бумагой и игральной костью можно будет потом, после создания пары шифроблокнотов и передачи одного из них по безопасному каналу, переписываться через всю галактику. При этом вы будете уверены, что ваше сообщение никто не прочтет, кроме владельца второй копии шифроблокнота. Разве что где-то какой-нибудь джедай использует Силу, дабы прочитать прошлое и увидеть вас записывающим получившуюся случайную последовательность…

Но это знание не далось просто. Были проведены миллионы научных экспериментов, и от долгого корпения над задачей многие ученые заработали плешь на макушке (а некоторые получили эту плешь в результате [...]]]> Все мы сейчас знаем, что космического эфира не существует, что теория теплорода не соответствует реальности, да и атом Бора уже не выглядит таким чтобы правильным.

Но это знание не далось просто. Были проведены миллионы научных экспериментов, и от долгого корпения над задачей многие ученые заработали плешь на макушке (а некоторые получили эту плешь в результате действий оппонентов, которые выдергивали волосы в процессе дискуссий).

Тем не менее, сейчас мы это все знаем и это все будет принесено в прошлое попаданцем.
Думаете, его не спросят «а откуда, собственно, инфа?»…

Тут возможно два варианта. Если ничего не поймут — то не спросят. Но это не наш случай. Потому что мы рассматриваем только ситуации, когда хоть что-то получилось (и неважно что попаданца, скорее всего, банально прибьют-поработят-посадят в первые же часы).

То есть в нашем случае обязательно потребуют объяснений.
И тут возникает парочка моментов.

1. Попаданец банально не сможет объяснить. Даже если это будет академик — рано или поздно его загонят в угол.
Просто потому, что концы объяснений прячутся не в физике или химии, а банально в истории науки. Ведь поначалу вся наука — это философия, которая связана с религией. И многие постулаты оказываются где-то на стыке с религиозными воззрениями.
Вспоминаем историю с зарождением интегрального исчисления и спорами итальянского математика Бонавентуры Кавальери (который основал метод) со швейцарцем Паулем Гульдиным. Гульдин был иезуитом и «метод неделимых» просто не вписывался в иезуитское мировоззрение. И такие споры были в каждом закутке науки, она, собственно, на них встала.
Чтобы отбиться от вопросов, попаданец должен быть во-первых схоластом-теологом-философом. А это по определению не так, попаданец в каждой книге — человек действия и человек, решающий конкретные задачи.

2. Многие эксперименты попаданец просто не сможет провести. Потому, что для них нужна техника, которой еще нет и которую попаданец собрался строить, проскакивая промежуточные этапы. То есть для нас эти промежуточные этапы были ошибкой, а для науки они дали экспериментальный результат, который попаданец не будет проверять. И поэтому — не сможет убедить других в верности постулатов. «Отрицательный результат — тоже результат» это не пустые слова. Совсем не пустые, а очень даже дорогостоящие (именно в деньгах и жизнях).

3. Этих экспериментов очень и очень много. Слишком уж много областей в науке нужно прикрыть. Чтобы только поднять науку со уровня позднего средневековья до 19-го века таких экспериментов требуются тысячи, если не десятки тысяч. Никакой попаданческой жизни не хватит, а кто тогда будет пушки производить и воевать, как во всех книгах?

4. Если эксперименты недоступны, то ученикам придется верить. А это превратит науку в религию. «У мухи восемь ног», ага.
Весь смысл науки — сомневаться и проверять. Если проверка недоступна, то сомнения отпадают. Наука деградирует не родившись. От нее останется сотня приемов для повседневной эксплуатации и кое-какие сентенции, переросшие в сектантство (Пифагор великолепно показал, как это делается).

Ну и напоследок… Пару лет назад я услышал от жителя такой себе глубинки фразу, что все будет плохо, потому что «яма летит».
Понятно, тогда 2012 было на носу, конец света на марше и вообще. Но мне понадобилось минут пять наводящих вопросов, чтобы понять: яма это «черная дыра», которая по мнению журнализдов летит к Земле и, похоже, со стороны коллайдера. Телевизор ведь доступен и в глубинке, вот и результат — насмотрелись.
Да, это говорили пенсионеры. Но они в 50-х годах закончили очень даже советскую школу (сугубо материалистическую) и в церковь не ходили.

А представьте, как это будет все выглядеть в условиях церковного мракобесия, где подавляющая часть населения неграмотна, а священникам главное продавить собственные интересы? Тут для попаданца будет главное — не быть поднятым на вилы. Даже если он попал во времена, когда Ньютон уже родился.

С одной стороны — однозначное доказательство гелиоцентрической модели, а с другой стороны — не зря на ней Галилей погорел…

Венера — объект крупный. Она даже ярче Сириуса и постоянно мотыляется по [...]]]> Если вспоминать вещи, которые могут повлиять на мировоззрение людей, то среди общего списка есть один интересная и достаточно спорная штука — фазы Венеры.

С одной стороны — однозначное доказательство гелиоцентрической модели, а с другой стороны — не зря на ней Галилей погорел…

Венера — объект крупный. Она даже ярче Сириуса и постоянно мотыляется по небу, хотя сильно далеко от Солнца и не отходит.
И чтобы увидеть ее фазы, достаточно даже не телескопа — достаточно хорошей подзорной трубы.
Собственно, именно это и произошло с Галилеем в 1610 году. Собственно, неудивительно, что он заинтересовался Венерой, после Луны это объект номер два на небе, который может заинтересовать астронома.

Дело в том, что объяснение фаз Венеры может быть только одно — Венера крутится вокруг Солнца, а не совершает дикие зигзаги вокруг Земли, стараясь не отходить от Солнца.
Это одно из самых примитивных и самых убойных доказательств гелиоцентричности Солнечной системы.
Поэтому если вы видите где-то в чужом мире телескоп — будьте уверены, никакой птолемеевой системы с Землей в центре тут не знают.

Однако, для того, чтобы широкие массы это поняли, нужно несколько условий:

1. Народ должен понять объяснения. Должен понять, что свет Солнца падает под углом и оставляет на Венере серп. А народ не хочет понимать, он хочет хлеба и зрелищ. Поэтому объяснять что и почему придется избранным.

2. Избранные должны иметь стимул кому-то это объяснять. Обычно стимула нет. Более того — обычно есть противоположный стимул. Научиться чему-то сложному и держать в секрете тайное знание. Это и людьми управлять помогает, да и уровень самооценки заметно повышается.

3. Избранные должны хотеть выслушать. Понять-то они могут… а это надо?
Именно по третьему пункту Галилей и погорел. Он пытался поломать картину мира. Пусть даже нечаянно, просто его картина мира ломала чужие картины. А у них — семьи, дети, дома, собаки, любовницы, винные погреба… нафига еще им Галилей?
Когда Галилей пригласил посмотреть в телескоп церковный суд — те просто отказались. И я их понимаю. Даже если они увидели бы там то, что обещал Галилей — это не изменило бы вердикта.

Это я к чему.
Доказательство должно быть таким, чтобы оно было видно простому папуасу из рабочего района.
Летающие фонарики — да, явно видно. Издалека видно. И объяснение простое. И выводы из объяснения на пальцах.
Микроскоп Левенгука — тоже все ясно. Главное, получить доступ к инструменту, инструмент дорогой. Но если дать посмотреть — все ясно и выводы ясны.
С маятником Фуко похуже. С одной стороны все видно, а вот выводы… Выводы сам Фуко сделать не мог, формулу вывели после его смерти. Но приблизительно понятно где копать и на пальцах можно объяснить.

С Венерой все плохо.
Во-первых — инструмент наблюдения дорогой, даже дороже микроскопа. Во-вторых выводы требуется сделать достаточно сложные, почти как у маятника Фуко.
Но этого мало — чтобы понять, что происходит, нужно не один раз в телескоп посмотреть, и даже не парочку. Венера делает оборот вокруг Солнца за 243 дня. А смотрим мы не нее с Земли, которая тоже вертится. Полный цикл фаз Венеры — 584 дня.
Думаете, многие будут способны на такие длительные наблюдения?

Лично мой опыт показывает — 99.9% пойдут пить пиво и пошлют и вас, и ваш телескоп, и саму Венеру.
А оставшиеся 0.01% — это просто фрики какие-то, и вероятность того, что среди них есть власть держащие, очень мала.

И в конце — интересно то, что фазы Венеры можно наблюдать невооруженным глазом. Это доказывает сборка глиняных табличек из Ниневийской библиотеки вавилонского царя Ашшурбанипала. На них были указаны фазы Венеры за 21 год правления вавилонского царя Аммизадуги (1646-1626 год до нашей эры). По этим данным удалось установить точную хронологию эпохи Старого Вавилона.
Уж не знаю, может кто из наших постарался, из попаданцев?