Category: наука

Category was added automatically. Read all entries about "наука".

Гена

Углекислый газ

Почему легко отрицать антропогенное глобальное потепление — отчасти потому что людям трудно понимать сложные концепции. У большинства из нас нет такой врождённой черты, мы прирожденные охотники-собиратели, так что в основном охотимся на и собираем то, что нам предоставляет современная городская среда, не особенно задумываясь о том, как же ротор поля градуирует себя вдоль спина наподобие дивергенции.

Вот, например, людям трудно поверить, что газ, находящийся в атмосфере в почти следовых количествах является ключевым парниковым газом и увеличение его концентрации скажем в на 17% это уже очень значительный эффект. Потому что во-первых даже сама единица измерения концентрации ppmv - объёмные части на миллион (по сухому воздуху) интуитивно кажется такой крохотной, что просто трудно поверить в значительный эффект. Ну было 355 частей на миллион 30 лет назад, ну стало 415 частей на миллион, увеличение на жалкие 60 частей на миллион, делов-то. Это же всё равно 0.0415%. Как так может быть, что такая огромная атмосфера, состаящая на 99% из смеси симметричных двухтомных молекул азота, кислорода и немножко атомарного аргона может не оказывать значительного парникового эффекта, а какой-то там углекислый газ, которого не видно не слышно и какие-то ничтожные части на миллион, является определяющим?

Впрочем, начнем с того, что мало кто из непонимающих суть парникового эффекта в курсе, что атмосфера по большей части состоит из азота (а так же задумается над симметричностью молекул и их разными электродинамическими и акантовыми свойствами):
N₂ — 78.08%
O₂ — 20.95%
Ar — 0.934%
CO₂ — 0.0415% (и растет в реальном времени ~1 ppm в 3-4 месяца - катастрофическая скорость).
Ну и там немножко других, включая высокопотентные парниковые газы типа метана или фреонов - в общем случае все несимметричные молекулы.
(Сумма может слегка не сходиться в 100% в силу определенных неточностей и разницы концентраций отдельных компонентов воздуха на несколько порядков величин и разного рода неопределенностей, это нормально.)

Естественно, вода тоже парниковый газ и второй продукт горения углеводородов, но она в атмосфере долго не живет, и тут нам повезло, потому что роса выпадает легко и непринужденно и атмосфера легко саморегулирует содержание газообразной воды и накопить систематические излишки воды в воздухе, в отличие от долгоживущих компонентов воздуха, проблематично.

В отсутвии парниковых газов (да и вообще атмосферы) средняя температура планеты (поверхности) была бы на уровне -15°С (простая задачка по радиационному теплообмену на уровне первого курса физфака). А по факту она у нас сидит где-то на +15°С (и очень хотелось бы, чтобы так оставалось как можно дольше).

И вот что ты будешь делать с такими людьми - идология им не позволяет согласиться с тем, что жечь ископаемое топливо это плохо; а понять физику с полпинка, ума не хватает, даже основы. Потому что неинтуитивно. Признать, что ты дурак и не хватает ума понять суть вообще невозможно, потому что эго — ведь тогда ещё придется признать авторитет экспертов и, о божэ, делать как они говорят. А выучить физику — во-первых сложо, во-вторых эго, в-третьих заговор учёных (ученые, учителя и написанные ими учебники — врут) и идеология не дает даже поинтересоваться.

И хотя повседневный опыт вроде и говорит о том, что если в напитке, таком как чай, частицы, определяющие его цвет, запах и вкус находятся в кипятке в аналогичных (если не меньших) количествах, чем углекислый газ в атмосфере - но мы прекрасно можем отличить чай от простого кипятка. И, если мы удваиваеваем содержание этих частиц, то опять же очень легко можем заметить, что чай стал темнее и крепче - но это всё ещё очень маленькое "незначительное" содержание частиц.

И вода в данном случае такой же инертный носитель как бы незначительной примеси, которая целиком определяет свойства чая как напитка; как и атмосфера является инертным носителем парниковых газов, которые почти целиком определяют её нагревающие (задерживающие солнечное излучение) свойства. Эффект, который мы видим от молекул азота и кислорода это рэлеевское рассеивание - голубой цвет неба и оранжевые закаты вместо чёрной пустоты космоса. А все основные дела с захватом и перезилучением солнечного излучения делают парниковые газы.

Или вот ещё пример - если кто-то пернул в лифте: пердежа там миллилитров 50 на 8-10 кубометров объёма кабины, в этих 50 миллилитрах вонючего компонента (сероводорода в основном) порядка 1 процента, а в общем на объём лифта это сугубо следовое количество, очевидно даже меньше, чем углекислого газа в атмосфере. Но уже через 10-15 секунд во всех углах лифта становится понятно, что воздух испорчен. Очень маленькая концентрация сероводорода однозначно определяет качество воздуха в лифте и, если она критически увеличивается, начинает вонять. Интуитвно - да. Соответствует повседневному опыту - тоже да.

Переносим линию рассуждений на атмосферу планеты — всё, логика утрачивается. Хотя, казалось бы, аналогия прямая. Мы так же своим потреблением выделяем (в данном случае потреблением энергии, мяса, молока и других животных продуктов) условно небольшое в сравнении с объёмом атмосферы, "пердим" в лифте и портим общий воздух. И надо бы постараться пердеть как можно меньше, переходить на источники энергии, которые не производят парниковые газы, чтобы не портить воздух. Уменьшать зависимость систем производства и поставок продовольствия от животноводства. Но тут у нас резко отрицание взаимосвязи. Парадокс!

А безуглеродные источники энергии и соответствующие методы ведения хозяйствования, они есть и уже давно, они надежные и эффективные; препятствия к переходу на них преимущественно политические и социальные. В том числе отрицание.

P.S. На всякий случай. Все вулканы планеты выбрасывают в среднем ≈280 мегатонн эквивалентного углекислого газа в год, человеческая цивилизация — больше 40 гигатонн (в 140-150 раз больше) преимущественно как следствие сжигания ископаемого топлива. Люди являются доминирующим источником избыточных парниковых в атмосфере уже больше ста лет.

Гена

Адские бактерии

Знаете же задачу про бактерий, которые делятся каждую минуту?

Если в начальным момент времени мы селим в чашку Петри 1 бактерию, через минуту она делится на две, ещё через минуту новые бактерии снова делятся на две и т.п. Питательный субстрат подаётся соразмерно потреблению.

Если известно, что такая колония полностью заполняет чашку Петри за 1 час, то за какое время она заполнит половину чашки?

Одна из задач, которые дают на собеседованиях, при попытке вступить в какую-либо инновацию. Конечно почти любому человеку, худо-бедно знакомому с геометрическими прогрессиями, после некоторых размышлений станет понятно, что за 59 минут.

На этом обычно задача заканчивается. Кто не понял - охают-ахают, мол парадокс! Кто понял - молодцы и умницы, похлопывают друг друга по плечу.

Я решил пойти немного дальше и понять - а какой же объём должен быть у этой гипотетической чашки Петри.

Понятно, что по истечении одного часа мы должны иметь 2⁶⁰ ≈ 1.2 × 10¹⁸ бактерий.

Для оценки объёма одной бактерии возьмем типовой диаметр в D = 1 мкм. V = 4/3 × π × r³ = 4/3 × π × D³/8 ≈ 5.2 × 10⁻¹⁷ м³.

Но на самом деле бактерии не могут быть упакованы значительно плотнее, чем в объём D³ на одну бактерию, то есть объём, занимаемый одной бактерией D³ = 10⁻¹⁸ м³.

Полный объём, который занимает колония бактерий, выросшая после 60 минут:
V = 10⁻¹⁸ м³ × 1.2 × 10¹⁸ = 1.2 м³.

Так что никакая это не чашка и даже не ведро или бочка, а целый кубометр с хвостиком!
Гена

Винтажный калькулятор

Одна из самых крутых вещей, которые я держал в руках. Научный калькулятор Hewlett Packard 32E. Годы выпуска с 1978 по 1983. Статистка, тригонометрия, даже конвертация некоторых единиц! Цена в деньгах 1978 года $80 (примерно как современный мобильный телефон среднего уровня). Мы с ним ровесники — даже трудно поверить!
Одна из самых крутых вещей, которые я держал в руках. Научный калькулятор Hewlett Packard 32E. Годы выпуска с 1978 по 1983. Статистка, тригонометрия, даже конвертация некоторых единиц! Цена в деньгах 1978 года $80 (примерно как современный мобильный телефон среднего уровня). Мы с ним ровесники — даже трудно поверить!
Гена

The Climate App

Последние 6 месяцев я довольно активно сотрудничаю с проектом The Climate App. Работаю с ними (на волонтёрских началах) в роли специалиста по углеродным следам и их влиянию на окружаущую среду/глобальное потепление. В общем по-английски моя роль Environmental Scientist, а по-русски одним словом и не скажешь, какой я здесь учёный.

Проект занимается тем, что разрабатывает приложение/соцсеть/движение позитивного действия, стимулирующее пользователей к более разумному потреблению ресурсов и снижению своего углеродного следа. А так же, что наверное важно вдвойне, формировать социальное/политическое движение, которое будет оказывать давление на политиков, которые на данном этапе едва ли большие помощники в деле сохранения обитаемой окружающей среды, биосферы и устойчивого развития человечества (в перспективе на два-три и много поколений вперед).

Я там выполняю роль адски упоротого и постоянно спорящего критика, стараясь делать так, чтобы числа, используемые в алгоритмах были максимально приближены к реальности и поддерживались железобетонными научными обоснованиями; а рекомендации к наиболее эффективным действиям по снижению углеродного следа - как в плане изменения личных потребительских привычек, так и в плане политических требований, выдвигаемых к нашим представителям, были максимально действенными. К счастью, наука на этот счет имеется весьма обширная: от политическхи наук, психологии и социологии, до электроинженерного дела и энергетики.

Как и в любом подобном движении здесь случается натыкаться на людей с добрыми сердцами и спутанными умами, так что наличие учёных в движении абсолютно необходимо. К сожалению к вопросам sustainability очень быстро присосалась индустрия рекламы и пиар традиционного соревновательного капитализма, что в итоге превратило тему из злободневной и требующей немедленных и активных действий, в инструмент для научной дезинформации, продвижения ещё большего консьмеризма и, как следствие, ускорение разрушения окружающей среды. К сожалению, подавляющая масса людей из корпоративного мира, рассуждающих про устойчиовсть, возобновляемые источники и социальную и климатическую ответственности занимаются гринвошингом своих разрушительных практик и товаров, отвлекая внимание общества (и, как следствие, контролирующих органов) от совершенно неприемлемых "внешних издержек".

В общем, в меру возможностей и квалификации, пытаюсь голыми руками остановить наполненный углем паровоз :)

Написал пару постов для блога проекта:
Electric Vehicles: Where does the Energy Come From?
Electric Bikes — Truly Sustainable Urban Mobility

Если есть интерес, напишите в комментах, я могу перепостить их здесь, переведя на русский.
Ещё у меня в планах посты с анализом веганства как способа снизить свой вклад в глобальное потепление, возобновляемой энергетики и её перспектив в реальном мире, ещё немного о вреде машин и использовании "маргинального электричества" для зарядки электричек - особенно в контексте выхода электрического SUV Ford-150. В общем, если есть интерес к моему видению этой темы (а я в ней разбираюсь весьма досканально) - пишите, эти темы появятся и здесь.

P.S. Заранее хочу предупредить (если вдруг что), к интенсификации отрицания антропогенного глобального потепления, отрицания эффективности и экономичности возобновляемой энергетики, глупых смехуёчков про веганство (если вдруг безудержно захотели съесть котлеку, пожалуйста держите этот замечательный факт при себе); яростного отрицание или наоборот излишнего восхваления электромашин и прочим проявлениям психологических защит у меня терпимость от очень низкой до нулевой. Пассивную агрессию тоже, пожалуйста, держите при себе. Даже если прижгло совершенно невыносимо.
Гена

Аэродинамика бритых ног

Продолжаю совмещать опыты мобильной лаборатории прикладной аэродинамики со своими тренировками. Так как тема влияния бритья ног почти что вечная и в моих полевых тестах далека от закрытая, сегодня я снова обратился именно к ней.

А так как я не участвовал в гонках уже месяца четыре, ноги заросли до состояния Чубаки — идеальная базовая линия для сравнения.

Сегодня, вопреки обыкновению, я отклонился от привычной методики определения коэффициента аэродинамического сопротивления, и выполнил тест в другом формате. Я попросту ездил по кругу с постоянной скоростью 31 км/ч, проезжая для каждого измерения 10 км.

Первые 10 км с небритыми ногами я поехал со средней скоростью 31 км/ч за 19 минут 21.4 сек. Средняя мощность, получившаяся в результате: 242 Вт.

Довольно много, но я ездил на классическом медленном велике в высокой посадке.

После этого я побрил ноги машинкой и повторил 10 км на скорости 31 км/ч. Время вышло удивительно близкое: 19:21.4. Средняя мощность упала до 228 Вт.

Да, избавление от медвежьей волосатости на ногах позвоили снизить расход энергии на 5.8%. Опять же, если я изначально ехал в более аэродинамичной конфигурации, относительная экономия могла бы быть даже выше, ближе к 6.5-7%.

Третье измерение я выполнил уже естественно с бритыми ногами не мощности 242 Вт. Эти 10 км я поехал за 18:55.4 со средней скоростью 31.7 км/ч.

На 10 км при поддержании постоянной мощности сбривание волос с ног увеличило скорость на 0.7 км/ч и дало 26 секунд экономии.

На традиционной для таких сравнений дистанции в 40 км небритые ноги делают велосипедиста медленнее на 1 минуту 44 сек.

мозг

Униполярный мотор с левитирующим ротором

Когда работа действительно интересная :-)
Надо было выполнить демонстрацию левитации магнита над высокотемпературным сверхпроводником, но я дополнил демонстрацию, и превратил систему в униполярный мотор, пропустив радиальный ток от батарейки через магнитый диск. Получилось довольно круто, не то что всякие батарейки с шурупами!



А ещё недавно вышла наша статья в журнале Superconducting Science and Technology, A superconducting homopolar motor and generator—new approaches.

Пожалуй, самая крутая статья за всю мою скромную научную карьеру, и включает в себя все 4 года работы на моей нынешней работе. В частной компании публикация дело не всегда простое и далеко не всегда так уж приветствуется, так что само по себе это большое достижение, не говоря уже о том, что мы построили и протестировали довольно большой сверхпроводниковый мотор! :-)
Гена

О влиянии типа одежды на аэродинамику велосипедиста

Цель теста была сравнить влияние типа одежды на потери мощности и скорость при езде на велосипеде. Конкретно в этот раз я сравнивал езду в обычной одежде: повседневная футболка и просторные велошорты из комплекта формы для маунтинбайка с одной стороны и обтягивающая шоссейная велоформа - джерси по фигуре и шорты из лайкры с другой.

Всё остальное оставалось одинаковым: велосипед, шлем, обувь, посадка. Посадка была высокая, на "худах". Тесты проводились на велодроме один за одним с интервалом только на то, чтобы переодеться и немного перекусить, так что погодные условия (температура воздуха, ветер) можно считать почти постоянными. На сбор качественных данных в одном тесте уходит примерно 45 минут.

Итак, переходим к результатам!

Результаты, как обычно, я представляю в виде графика зависимости силы сопротивления (мощность разделённая на скорость) от квадрата скорости. Это очень удобные оси, в частности потому, что позволяют сразу разделить аэродинамическое сопротивление и сопротивления качения. Наклон кривой это размерный коэффициент аэродинамического сопротивления, а точка пересечения с вертикальной осью — сила сопротивления качению. Поэтому одновременно получается определить коэффициент аэродинамического сопротивления и коэффициент сопротивления качения колёс. Так же в этих осях очень легко оценить качество данных, обычно они очень хорошо ложатся на прямую. Если разброс большой, значит что-то в тесте пошло не так.

Кстати, заодно я испоробовал новые для себя супер-защищённые покрышки Schwalbe Durano Plus 25 мм, и на давлении 100 psi получил коэффициент сопротивления качения по гладкому асфальту 0.0057, что очень близко к данным независимых лабораторных тестов, найденных мной в сети. Это, конечно, совсем не скоростная резина, у которой при правильно подобранном давлении бывает меньше 0.003, но это не такая уж и высокая плата за надёжность, особенно на наших дорогах, щедро усыпанных стеклянной крошкой.

Чтобы понимать, чего стоит сопротивление качения, я дам следующий пример. Для велосипедиста, весящего в одежде с велосипедом 85 кг или 833 Н, каждые 0.001 единицы коэффициента дают 0.833 Н силы сопротивления. Мощность, необходимая для преодоления этой силы, получается умножением силы на скорость в м/с. Например, на скорости 36 км/ч или 10 м/с, каждые 0.001 требуют 8.3 Вт. Так что на скоростной и хилой резине мы оказываемся в диапазоне 25-30 Вт, на крепкой и медленной в диапазоне 45-50 Вт.

Теперь аэродинамика: в диапазоне скоростей 30-40 км/ч, в котором велогонщики-любители ездят чаще всего, переход от обтягивающей к свободной и хлопающей на ветру одежде, требует примерно на 8% больше мощности для поддержания равных скоростей. Сколько это в абсолютных ваттах показано на графике ниже.

14 Вт дополнительных ватт на скорости 30 км/ч, 21 Вт на скорости 36 км/ч и 27 Вт на скорости 40 км/ч!

Результаты вовсе не бесполезные, т.к. 8% это очень большие потери. Если мы в результате методичной тренировки вырастаем за год на 8%, это уже большой успех! Ну и это может быть важно для выбора одежды на холодное время года. На холоде и так всё становится медленным - коэффициент сопроитвления качения может запросто удвоиться если температура упадёт с 30 градусов до 10 градусов; плотность воздуха тоже вырастает на несколько процентов, а тут ещё и одежда. Поэтому при выборе верхнего слоя, т.е. ветровки, стоит обратить внимание на то, на сколько плотно одежда сидит по фигуре и как ведут себя рукава. Т.к. потеряные 20 Вт (а то и больше) могут запросто означать для многих невозможность удержаться в группе, едущей в резвом темпе.

Ну и ещё хочу обратить ваше внимание на то, на сколько коэффициет аэродинамического сопротивления (я обычно использую размерный) может менять в зависимости от посадки и, в меньшей степени выбора велосипеда.
На графике ниже представлены результаты одного из моих давнишних полевых тестов аэродинамических шлемов на разделочном велосипеде в агрессивной аэропозиции.

Высокая посадка на шоссейнике отличается от аэропосадки на разделочнике в 1.5 раза. Т.е. примерно 0.15 против 0.23. На той же скорости 36 км/ч (10 м/с) это попросту 150 Вт против 230 Вт!!! Если добавить сюда 35 Вт на резину с разумным балансом защищённости и экономичности, это даёт 185 Вт против 265 Вт. А с учётом потерь в трансмиссии, которые находятся на уровне 5%, мы получаем 195 Вт на оптимизированном аэровелосипеде против 280 Вт на обычном шоссейнике, если вдруг кому-то придёт в голову безумная идея ломиться впереди пелотона на 36 км/ч не перехватившись в аэропозицию конечно :)

Ещё раз, чтобы понять масштаб: 36 км/ч и 195 Вт против 280 Вт. Первое (для непрерывного поддержания достаточно длительное время) достижимо очень многим спортсменам-любителям. Второе, даже для поддержания в течение 60-90 минут, требует уже весьма серьёзной спортивной подготовки и это лишь для 36 км/ч по плоской дороге.

Csazy Cycler

Наука работает!

О предсказательной точности полевых велосипедных тестов, которые я выполняю в качестве хобби. Читаю статью из журнала Sports Technology про спидсьют для раздельных велогонок на время Nike Swift Skin. Там написано, что в спидсьюте они вычислили аэродинамическое сопротивление в 3200 г ± 29 г для велосипедиста на скорости 53 км/ч, что на 125 грамм меньше более традиционных старых велокостюмов (т.е. 3325 г). Открываю свои данные (в обычном триатлетическом сьюте с небритыми ногами), экстраполирую на 53 км/ч и получаю 3326 г ± 99 г. Чертовски близко надо сказать, и это для измерений, выполненных по сути мимоходом. Мне есть чем гордиться! :-)

Качественно-выполненный тест на кольцевом треке по точности и практической полезности не уступает, а в чём-то и превосходит тесты в аэродинамической трубе!

Кстати, если вдуматься: человек несётся на велосипеде со скоростью 53 км/ч, а сила, которая тянет его вперёд, всего лишь около 3.5 кг. По-моему это замечательный и очень интересный факт. А на скорости 40 км/ч эта сила и подавно около 2.5 кг!
Чистая комната

Массо- энергообмен в живых организмах

Забавно, сегодня прочитал об исследовании, проведённом австралийским физиком. Он опросил 150 врачей, диетологов и персональных тренеров, задавая один и тот же вопрос: "Когда кто-то теряет в весе, куда девается жир?" и так же озаглавил статью.

Вот прикольная картинка с ответами:



По убывающей ответы: энергия/тепло, другое, фекалии, становится мышцами, пот/моча, не знаю и CO2(+H2O).
Если честно, 60 % ответов профильных специалистов о том, что жир становится энергией меня пугают. Учитывая, что 1 грамма вещества, превратившегося в энергию достаточно, чтобы уничтожить средних размеров город и убить десятки тысяч людей. В наш образованный век не знать этого (ну как мне, глядя глазам физика) как-то странно, если не сказать дико.

Исходя из знаменитой формулы E = mc2, каждые 1000 ккал = 4.2 МДж соответствуют изменению массы примерно в 0.05 нанограмма — едва ли измеримая величина. 9100 ккал/кг в жире дадут изменение массы в 0.4 нг. А куда тогда деваются все эти килограммы? Давайте посмотрим!

Рассмотрим для примера реакцю окисления пальмитиновой жирной кислоты — наиболее распространённой в природе, во всяких маслах, салах и т.п.
В целом рассуждения для иных жиров особо отличаться не будут, т.к. калорийность у них у всех примрено одинаковая, и при их окислении на каждую одну молекулу кислорода выделяется примерно 0.7 молекулы углекислого газа:

C16H32O2 + 23 O2 -> 16 CO2 + 16 H2O + Q

Открываем таблицу Менделеева, смотрим атомные массы с точностью до целых:

256 а.е.м + 736 а.е.м. = 704 а.е.м. + 288 а.е.м.

Ничего ведь сложного, простая арифметика, так ведь? Делим левую и правую часть на атомную массу молекулы жирной кислоты и умножаем на 1 кг и сразу видна пропорция:

1 кг + 2.9 кг = 2.8 кг + 1.1 кг

И так, чтобы окислить 1 кг жира нужно (окгругляя до десятых) вдохнуть 2.9 кг кислорода и выдохнуть 2.8 кг углекислого газа и 1.1 кг воды. Плотность кислорода при нормальных условиях 1.33 г/л, так что для окисления 1 кг жирных кислот нужно 2180 литров кислорода при 20°С и нормальном давлении или примерно в пять раз больше воздуха. И ещё одно тайное знание, каждый литр кислорода в среднем позволяет окислить 5 ккал (4.74 ккал из жиров и 5.05 ккал из углеводов).

Вот такие дела, метаболизированную масу жира мы в основном выдыхаем, это масса уходит через лёгкие. Впрочем, углеводы тоже, можете поупражняться:

(CH2O)n + nO2 -> nCO2 + nH2O + Q

Большую часть продуктов метаболизма мы выдыхаем, но для этого нужно вдохнуть существенную массу кислорода.

Ну и на сладкое вопрос, не заглядывая в поисковик: как вы думаете, откуда растения берут бОльшую часть своей массы?

P.S. И зачем вообще нужно химию в школе преподавать, да же?