У фізиці резонанс також може стати потужною руйнівною силою. Найвидовищніший у сучасній історії випадок деструктивного резонансу стався в листопаді 1940 року, коли боковий вітер врізався в центральний проліт мосту Такома-Нерроуз. Це диво інженерії (яке за свої розгойдування вгору-вниз отримало назву «Галопуюча Ґерті») потрапило в сильний резонанс. Через те що вітер збільшив амплітуду коливань мосту, конструкція стала вібрувати й вигинатися, і що далі, то сильніше, аж поки проліт не розірвався і не плюхнув у воду. Це феєричне падіння можна переглянути тут: cutt.ly/otLrgn.

За дев’яносто років до того у французькому місті Анже обвалився підвісний міст через річку Мен, коли по ньому строєм марширувало 478 солдатів. Їхні кроки викликали резонансні коливання мосту, від яких тріснуло кілька проіржавілих тросів. Тоді загинуло понад 200 солдатів. Через цю трагедію будівництво підвісних мостів у Франції було зупинено на двадцять років. У 1831 році, коли британські солдати стройовим кроком переходили через Бротонський підвісний міст, настил почав резонувати, з одного кінця випав болт, і міст обвалився. Ніхто не загинув, але за наказом британського командування всі військові від цього моменту переходили через мости вільним кроком.

У 2000 році в Лондоні відкрили міст Міленіум (або міст Тисячоліття), під час переходу якого багато тисяч пішоходів помітили, що його добряче хитає (через явище, яке інженери називають резонансом бічних коливань). За кілька днів влада закрила міст на реконструкцію аж на два роки, за які було встановлено демпфери, що не давали мосту розгойдуватися від кроків. Навіть величезний Бруклінський міст у Нью-Йорку неабияк налякав пішоходів, які зібралися на ньому, коли у 2003 році в місті внаслідок аварії зникло електропостачання. Полотно мосту почало розхитуватися, і декого навіть закачало.

У таких ситуаціях пішоходи створюють більше навантаження на міст, ніж машини, які зазвичай ним проїжджають, бо сумарний вплив їхніх кроків, навіть якщо вони не синхронні, може викликати резонансну вібрацію (розхитування) мостового полотна. Коли міст відхиляється в один бік, вони ступають в інший бік, щоб зберегти рівновагу, посилюючи таким чином коливання. Навіть самі інженери визнають, що не зовсім розуміють, як натовп може впливати на мости. На щастя, їм добре відомо, як будувати хмарочоси, що витримують потужний вітер і землетруси, коли існує небезпека виникнення руйнівних резонансних коливань. ­Уявіть: явище, завдяки якому жалібно звучала давня флейта наших предків, може загрожувати монументальному Бруклінському мосту і найвищим будівлям у світі.

12 Ідеться про варіації на тему «Ах, я казала вам, мамо» (Ah vous dirai-je, Maman) — французької народної пісні, на мелодію якої пізніше було написано багато дитячих пісень, зокрема «Сяй, маленька зіронько». — Прим. пер.

Розділ 7

Дива електрики

Найкраще це робити взимку, коли повітря дуже сухе. Станьте в поліестеровій сорочці або светрі перед дзеркалом у темній кімнаті та почніть їх знімати. Ви очікуєте почути потріскування, як тоді, коли дістаєте білизну із сушарки (хіба що ви не користуєтеся цими неромантичними серветками з антистатиком, призначення яких — знімати цей заряд). Але тепер ви ще й помітите світло десятків манюсіньких іскорок. Я полюбляю так робити, бо це нагадує мені, як фізика тісно переплетена з нашим повсякденням, якщо ми тільки знаємо, де її шукати. І, як я завжди кажу своїм студентам, цей невеличкий дослід ще цікавіший, якщо робити його з кимось.

Ви знаєте, що коли взимку пройтися по килиму і взятися за дверну ручку, — ви вже здригаєтеся? — вас може вдарити струмом, і стається це через статичну електрику. Можливо, ви навіть якось ударили струмом подругу, вітаючися з нею за руку, або вас било, коли ви здавали пальто в гардероб. Чесно кажучи, таке враження, що взимку статична електрика всюди. Волосся під час розчісування відштовхується між собою, а часом навіть стає дибки, коли ви знімаєте шапку. Що ж такого в зимі, і чому літає стільки іскорок?

Щоб дати відповідь на ці запитання, почнімо з давніх греків, які першими назвали й описали явище, відоме нам як електрика. Ще задовго до початку нашої ери греки знали, що коли потерти шматочок бурштину (скам’янілої смоли, з якої вони та єгиптяни виготовляли прикраси) об тканину, він притягуватиме шматочки сухого листя. А якщо потерти гарненько, може навіть добре трусонути.

Якось я вичитав, що коли греки нудилися на бенкетах, їхні жінки натирали свої бурштинові прикраси об одяг і торкалися ними жаб. Жаби, звісно, стрибали, відчайдушно тікаючи від ошалілих гуляк, що, мабуть, неабияк розважало гостей. Ця історія безглузда. По-перше, як думаєте, чи на багатьох вечірках сидять повсюди зграями жаби, чекаючи, коли їх почнуть бити струмом оп’янілі ледарі? По-друге, із причин, які я поясню трохи згодом, статична електрика виявляється слабко впродовж тих кількох місяців, коли ймовірність зустріти жабу найбільша, а повітря має високу вологість (особливо у спекотній Греції). Правдива ця історія чи ні, але безсумнівний той факт, що слово «бурштин» давньогрецькою звучить як електрон; тому це греки дали назву електриці, як і багатьом іншим речам у Всесвіті — як великим, так і малим.

Європейські фізики XVI–XVII століть, коли фізика називалася натурфілософією, нічого не знали про атоми чи їхні складники, але вони були чудовими спостерігачами, експериментаторами й винахідниками, а деякі ще й блискучими теоретиками. Тихо Браге, Галілео Галілей, Йоганнес Кеплер, Ісаак Ньютон, Рене Декарт, Блез Паскаль, Роберт Гук і Роберт Бойль, Готфрід Лейбніц, Християн Гюйгенс — усі вони робили відкриття, писали трактати, заперечували теорії одне одного і ставили середньовічну схоластику з ніг на голову.

У 1730-ті в Англії, Франції та, звісно, Філадельфії вже активно тривали справжні наукові дослідження електрики (на противагу салонним фокусам). Під час усіх цих експериментів з’ясувалося, що коли потерти скляну паличку об шовк, вона набуде заряду певного типу (назвімо його А). Але якщо те саме зробити з бурштином або каучуком, вони набудуть іншого заряду (поки що назвімо його Б). Дослідники знали, що заряди різні, бо коли вони взяли дві скляні палички, що мають заряд А, і наблизили їх одну до одної, вони відштовхувалися під дією якоїсь невидимої, але водночас відчутної сили. Тіла, що мали заряд Б, також відштовхувались одне від одного. Тоді як по-різному заряджені тіла, наприклад скляна (А) і каучукова (Б) палички, не відштовхувались, а притягувались.

Електризація тіл тертям — надзвичайно захопливе явище; воно має навіть чудову назву: «трибоелектричний» ефект, від грецького слова, що означає «тертя». Можна подумати, що заряд виникає за рахунок тертя між двома предметами, але це не так. Виявляється, що одні матеріали жадібно притягують заряд Б, тоді як інші прагнуть якнайшвидше позбутися його, набуваючи при цьому заряду А. Тертя дає такий ефект, бо збільшується кількість точок дотику між речовинами, що сприяє перенесенню заряду. Складено список матеріалів, які утворюють так званий трибоелектричний ряд (його легко знайти в інтернеті), і що далі на шкалі розташовані матеріали, то простіше вони взаємно електризуються.

Візьмімо пластмасу або твердий каучук, з яких зазвичай виготовляють гребінці. У трибоелектричному ряді ці матеріали розташовані далеченько від волосся людини, що пояснює, чому коли його розчісуєш узимку, воно швидко починає іскрити і ставати дибки — особливо моє. А ще подумайте над таким: воно не тільки іскрить, адже енергійно розчісуючись, я заряджаю і гребінець, і волосся, але оскільки волосся набуває однакового заряду (не має значення, якого саме), усі однойменно заряджені волосини починають відштовхуватися одна від одної, і я стаю схожим на божевільного професора. Коли ви човгаєте туфлями по килиму, то набуваєте заряду А чи Б залежно від матеріалу підошви й килима. І коли вас потім ударяє струмом дверна ручка, то ваша рука або приймає заряд від неї, або віддає їй свій заряд. Для вас, утім, це не має жодного значення — ви так чи інакше відчуєте удар.