У строителей есть надёжная защита от такого непредсказуемого явления как падение кирпича на голову. Все остальные граждане вынуждены рисковать собственным здоровьем и жизнью, перемещаясь под открытым небом без защитных касок на голове. В связи с этим я решил немного исследовать потенциальную опасность кирпичей, падающих сверху на наши головы.
Итак, имеем обыкновенный строительный кирпич размерами 250х120х65 мм и массой примерно 3,5 кг. При падении с высоты 1 метр такой предмет приобретает кинетическую энергию 35 Дж. Защитная каска выдерживает вертикальный удар силой в 50 Дж. Следовательно, голова строителя, защищённая каской, скорее всего не пострадает. Однако всё тот же кирпич, упавший с высоты 10 метров, приобретёт энергию уже в 10 раз большую - 350 Дж и строительная каска против него окажется бесполезна. В лучшем случае сотрясение мозга, в худшем перелом шейных позвонков и трепанация черепа. Безрадостная картина. Напомню, что 10 метров это примерно высота 4-х этажей современного многоэтажного дома. Так что защитная каска на голове строителей достаточно иллюзорная защита от падающих кирпичей. Тем не менее, я ни в коем случае не призываю строителей массово отказываться от ношения защитных касок.
Продолжая начатое исследование, я задался вопросом – а что будет, если кирпич упадёт не с крыши многоэтажного дома а, допустим, с высоты орбиты международной космической станции? Если кто-то забыл, то высота орбиты МКС составляет примерно 400 км. Падение кирпича с такой высоты немного отличается от падения с многоэтажного дома, так как в силу вступают космические скорости. А именно, первая космическая скорость Земли, равная 7,9 км/с. Такая скорость необходима для того, чтобы доставить любое массивное тело, в том числе и кирпич, на орбиту Земли. Соответственно, оставаться на орбите Земли может только двигающееся с этой скоростью тело. Ровно по этой причине, кирпич с высоты орбиты МКС не может упасть на Землю вертикально вниз, его траектория падения до входа в плотные слои атмосферы будет представлять собой спираль. Чем ближе к Земле, тем шире межвитковое расстояние спирали. При этом на кирпич будут действовать три силы – сила инерции, удерживающая кирпич на орбите, сила гравитации, притягивающая кирпич к Земле, и сила торможения, возникающая из-за трения кирпича об атмосферу Земли. Количество витков вокруг Земли зависит от орбитальной скорости кирпича и плотности атмосферы Земли. При этом с уменьшением высоты плотность атмосферы повышается и в какой-то момент она возрастёт настолько, что сила трения кирпича об воздух полностью погасит его орбитальную скорость. В этот момент траектория падения кирпича будет напоминать вертикальное пике.
Формально движение кирпича по орбите Земли под действием силы тяжести можно представить в виде скольжения по наклонной плоскости с плавно увеличивающейся крутизной склона. Такая довольно пологая горка, внезапно заканчивающаяся вертикальным обрывом.
Экспоненциальная зависимость траектории движения любого спутника Земли хорошо объясняет причину его тангенциального ускорения (ускорения направленного вдоль траектории движения) под действием гравитационного поля планеты. Так как сила сопротивления среды пропорциональна составляющей силы тяжести, направленной вдоль наклонной плоскости. Математическое выражение, фиксирующее описанную зависимость, выглядит следующим образом:
Данную зависимость принято называть аэродинамическим парадоксом, так как торможение движения тела под действием сопротивления среды в гравитационном поле планеты приводит к его ускоренному падению на Землю. Хотя с точки зрения физических законов, действующих на кирпич, никакого парадокса нет. А есть сумма сил, действующих на движущееся тело.
Что бы определить, на какую высоту снижается кирпич в разреженной атмосфере Земли за один виток полёта можно воспользоваться следующей формулой:
Полученная величина очень мала. И на первый взгляд может показаться, что такими темпами наш кирпич будет падать целую вечность. Однако это не так. За сутки кирпич совершает вокруг Земли примерно 16 оборотов. Следовательно, через год он будет ближе к Земле на 14 км, а через десять лет на сто пятьдесят. На этой высоте плотность атмосферы уже на порядок больше, соответственно скорость снижения кирпича возрастёт в десять раз. С такой скоростью до отметки 100 км кирпич доберётся примерно за год. А дальше его полёт будет протекать уже в плотных слоях атмосферы. В этих условиях буквально за несколько витков его падение приобретёт тот самый лавинообразный характер. В результате такого падения вся потенциальная энергия кирпича, запасённая на орбите МКС, превратится в кинетическую. Если бы кирпич продолжал падать в безвоздушном пространстве с высоты 100 км, то у поверхности Земли его скорость была бы примерно 1,4 км/с, а его кинетическая энергия составляла бы 3,5 МДж. Однако часть своей энергии кирпич потратит на разогрев атмосферы. Поэтому при столкновении с Землёй он выделит не больше 3 МДж. В тротиловом эквиваленте это примерно 900 грамм. Что бы лучше понять разрушительную силу этой энергии, достаточно вспомнить, что знаменитая «лимонка» (граната Ф-1) содержит всего 600 грамм тротила.
Всё-таки здорово, что при строительстве МКС не используют кирпичи!
