Тайны великих открытий - Александр Помогайбо

Это типичный пример "граничных условий" — в данном случае, области действия закона Архимеда. Ошибка прессы и родственников вполне объяснима — в школьном учебнике физики этот момент не освещен, поскольку учебник имеет склонность к формулам, а не к качественным процессам.

Другой пример граничных условий. Во время пожара на Останкинской телебашне пожарным мешало то, что проходы были очень узки. Архитекторы могли бы провести совсем небольшое исследование, чтобы найти оптимальные величины проходов. Английский ученый Дж. Джонс опубликовал в своей книге специальное исследование, посвященное проходам. Он установил, что любой человек с полным комфортом может пройти проход шириной 62,5 сантиметра. Меньшее расстояние допустимо — но это уже не свободный проход, и потому он имеет ограничения на применение: 40 сантиметров — касание стены, 37,5 сантиметра — придется повернуться, 35 сантиметров — проход преодолевается с трудом — с выдохом, приподниманием на цыпочки, поднятием плеч и локтей.

Французский архитектор Корбюзье, изучив этот вопрос установил, что 50 сантиметров стандартного прохода в средствах транспорта вполне достаточно, чтобы прошел человек любой комплекции, расстояние же шириной всего в 1 метр 83 сантиметра, то есть в человеческий рост, позволяет пройти большой толпе. Поскольку жилье связано с жизнью человека, Корбюзье рассчитал архитектурные размеры и пропорции в соответствии с человеческими размерами и пропорциями и неукоснительно руководствовался ими, создавая проекты зданий.

В конце 1940-х Корбюзье приступил к проектированию "жилого комплекса" — гигантского здания, в котором жилье размещалось вместе с предприятиями бытового обслуживанием и частично — с небольшими предприятиями. Подобная планировка освобождала окружающее пространство для зелени, расстояние до работы сокращалось до минимума. Но при проектировании столь массивного сооружения возникла проблема: население "жилой единицы" примерно в одно и то же время должно было отправиться на работу. Следовало сделать широкий проход, однако Корбюзье сделал его шириной всего в 1 метр 83 сантиметра, несмотря на критику других архитекторов. И оказался прав. В проходе к "жилой единице" действительно никогда не возникало заторов.

В начале 2000 года в авиакатастрофе погиб известный журналист Артем Боровик. Журналистских версий на эту тему было много, но с технической точки зрения этот случай также довольно хорошо подпадает под понятие "граничные условия". Когда самолет резко взлетает (а как показало расследование, колесо злополучного самолета оторвалось от взлетной полосы раньше, чем нужно), угол атаки может достичь критических углов, когда воздушный поток уже не обтекает крыло, а резко срывается с верхнего края, образуя вихри. Это снижает подъемную силу самолета. Если при этом двигатели расположены за крылом, как в случае с Як-40, это завихрение приводит к неустойчивой работе двигателя. Но этим неприятности не кончаются. 70 процентов подъемной силы крыла создает разряжение над его верхней частью. Воздушный вихрь "выключает" заднюю часть крыла, и самолет проседает хвостом, отчего турбулентный поток налетает уже на рули высоты — если они расположены сверху, как и было в Як-40. Рули высоты становятся неэффективными, и машина попадает в режим "глубокого срыва", выход из которого невозможен. Самолет теряет скорость и начинает падать подобно листку дерева (что и было в случае со злополучным Як-40). Впервые подобный эффект проявился 3 июня 1966 года во время сертификации английского самолета "Трайдент". Четыре летчика-испытателя погибли.

Позднее гибли и другие летчики. Создатели "Трайдентов" вынуждены были внести в конструкцию специальные изменения, которые препятствовали бы слишком резкому взлету; но порой пилоты отключали эти предохранительные устройства, поскольку они вызывали неудобства.

Расследование так и не выявило конкретную причину катастрофы Як-40. Возможно, какой-то одной причины и нет — просто граничные факторы, сами по себе достаточно безобидные, наложились друг на друга.

Из этой катастрофы следует сделать вывод, что граничные условия нужно определять не только в отдельности, но и в комплексе, как наложение малозначимых отклонений (ранний взлет, нерегламентное отклонение предкрылков, отсутствие обработки крыльев средствами против обледенения и т. д.).

Следующим этапом исследования может быть вероятностный и статистический анализ.

Танк во время Второй мировой войны бронировали одинаково по всей высоте, пока кто-то не установил, что по разным причинам 90 процентов попаданий происходят выше одного метра. Это означало, что броню сверху можно было усилить за счет брони снизу.

В вероятностном анализе иногда может применяться теория вероятностей, но с рядом оговорок, которых преподаватели обычно не делают.

Теория вероятностей имеет весьма малое отношение к вероятностям реальной жизни. Теория базируются на бесконечных выборках и законах больших чисел; в жизни же бесконечного числа проб, конечно, никто не делает. Если вероятность поражения самолета российской ракетой равна, скажем, 0,95, а американской — 0,9, сделать вывод, какая из них лучше, нельзя, поскольку число испытаний могло быть разным, как и условия эксперимента.

Непонимание ограниченности теории вероятностей может преподнести самые разнообразные сюрпризы. К примеру, если вероятность неисправности составляет 1 процент, это не значит, что она ничтожно мала. На самом деле она чудовищно велика — из 100 случаев практически гарантировано возникновение одной неисправности. Мало того — эта неисправность может проявить себя не в сотый раз, а в первый. При этом из 100 случаев все 100 могут привести к неисправности. Теория вероятностей рассматривает бесконечные выборки; при 100 000 000 выборках вероятность в конечном итоге действительно может оказаться 1 процент.

Из всего этого следует сделать вывод, что изделие должно быть настолько надежным, чтобы о вероятности речь вообще не шла. Любая "вероятность" имеет причину — ее и надо отыскать. Проверьте "люфты", зазоры, возможность попадания посторонних предметов, износ со временем, поведение болтов при вибрации, возможность интенсивной или неправильной эксплуатации.

Что касается случая с танком, то 90 процентов тоже имеют объяснение — неровности земли, которые берут на себя часть снарядов, а также правило, содержащееся в учебниках по тактике, предписывающее стрелять из-за возвышенности.

Итак, вероятностный анализ — это не использование формул, а статистическая обработка всех данных эксперимента и последующие выводы для внесения необходимых изменений в конструкцию.

Теперь рассмотрим использование в анализе эксперимента.

В качестве примера хотелось бы привести научную деятельность русского ученого Д.К. Чернова (1839–1921), основоположника металловедения и теории термической обработки стали. Его имя сейчас можно найти не во всяком словаре — однако если бы не этот человек, Россия в конце XIX века могла бы катастрофически отстать от других европейских стран в области металлургии, а следовательно, и в сфере вооружений.

На Всемирной парижской выставке директор одного из крупнейших металлургических заводов Франции Монгольфье сказал:

"Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и сталелитейное дело обязаны своим настоящим развитием и успехом в значительной степени трудам и исследованиям русского инженера Чернова".

Историк науки Лев Гумилевский пишет о Чернове:

"Он первым начал вводить науку в технологические процессы".

Первая эпохальная работа, проделанная Д.К. Черновым, обязана своим появлением перевооружению армии после поражения в Крымской войне. При изготовлении крупнокалиберных орудий в России часть стволов по неизвестной причине при выстреле разрушалась. Удивительным при этом было то, что все стволы изготовлялись примерно по одному технологическому процессу, однако одни выдерживали десятки выстрелов, другие же разрушались еще при ковке, рассыпаясь под молотом на части. Разобраться в этом явлении и было поручено совсем молодому в те годы инженеру Чернову.

Прежде всего инженер начал с внимательного изучения процесса. Он проводил у печей дни и ночи, учился у опытных рабочих определять температуру по цвету стальной поковки.

В ходе исследований выяснилось, что сталь с крупными зернами на изломе имеет меньшую прочность, чем сталь с мелкими зернами. За этим экспериментом последовали другие. Оказалось, что ковка не влияет на внутреннюю структуру металла (ковкой уплотняли заготовки, убирая внутренние пустоты).

Следующим экспериментом стала ковка при разных температурах. При этом обнаружились изменения в структуре. Мало того — каждому сорту стали соответствовала определенная температура.