Почему мы устаем при ходьбе?

Отчасти мы устаем потому, что наши мышцы во время ходьбы выполняют физическую работу и тратят энергию. От этого в них накапливаются различные продукты обмена, в частности молочная кислота. Эта мышечная усталость очень зависит от нашей походки. Нам легко идти тогда, когда мы двигаем не только ногами, но и руками. С одной стороны, это важно для поддержания равновесия и дыхания, а с другой стороны, так сохранились древние стереотипы, ведь мы, Homo sapiens, стали двуногими прямоходящими из четвероногих.

Четвероногим животным, например лошадям, приходится довольно жестко синхронизировать движение конечностей. Возможных способов синхронизации всего три, отчего и основных аллюров у лошади тоже три: рысь, когда синхронно движутся две ноги, расположенные по диагонали; иноходь, когда синхронно выносятся и опускаются то правые, то левые ноги; и галоп, когда попеременно переносятся то передние, то задние ноги. Эта синхронизация, то есть фактически аллюры, прослеживается и в человеческих танцах. Удивительно, но теория такой синхронизации имеет много общего с теорией относительности, поскольку и там и там основные представления базируются на неевклидовой геометрии искривленных пространств, в которых параллельные прямые могут пересекаться.

Другая причина усталости заключается в том, что при прямохождении человек постоянно напрягает медленные статические мышцы спины и шеи, чтобы поддерживать тело и голову. От этого довольно легко устать. Вспомните, как нелегко выдержать долгую музейную экскурсию. Но и это еще не все. При ходьбе тяжесть тела переносится с одной ноги на другую, начиная с пятки. Это называется передним толчком. Он происходит за довольно короткое время, вследствие чего возникают большие ускорения, так как мы довольно тяжелые существа. Вместе с коллегами я измерял с помощью специально разработанного нами датчика — акселерометра — характеристики этого толчка, дошедшего до макушки. Мы были потрясены тем, какой оказалась эта величина — в два раза больше ускорения силы тяжести.

Получается, наше тело, позвоночник и хрящевые межпозвонковые диски все время испытывают ударную нагрузку. Она действует и на нервные отростки спинного мозга. От этого человек непроизвольно дополнительно напрягает мышцы спины и шеи, чтобы не только поддерживать тело и голову, но и защищать позвоночник и нервные корешки. Вот эти-то напряжения все вместе и ведут к усталости.

Удары при переднем толчке сильно ослабевают при ходьбе по мягкой поверхности, использовании мягкой обуви или хотя бы мягких стелек.

Теперь ясно, как не уставать при ходьбе. Во-первых, надо заниматься физкультурой, способствующей выработке правильной походки. Во-вторых, если приходится много ходить, надо подбирать удобную и мягкую обувь. Как видите, это вполне доступные вещи, о которых, вероятно, вы знали и раньше. Просто не нужно забывать.

Почему небо голубое?

Это классический детский вопрос, ответ на который известен точно, но его получение было сложным и заняло много времени. Существовала теория, что цвет неба совпадает с цветом воздуха или какого-либо газа, входящего в его состав. Исаак Ньютон первым понял, что если бы это было так, то белые Солнце, Луна и вершины снежных гор тоже виделись бы голубыми, как сквозь цветное стекло. Он доказал, что воздух не имеет цвета. Открыв разложение белого света на цветные составляющие, он успешно объяснил происхождение радуги разложением света на капельках воды. Его попытка похожим образом объяснить голубой цвет неба оказалась ошибочной.

В 1869 году англичанин Джон Тиндаль провел эксперимент и продемонстрировал, что если искусственно созданный туман осветить лучом белого света, то сбоку он будет смотреться голубым. Так стало ясно, что все дело в рассеянии света. Вообще-то достаточно было посмотреть и на голубой дымок от горящего конца сигары, сигареты или папиросы.

Действительно, с древних времен людям было известно, что луч света распространяется прямолинейно. Однако он всегда виден, если посмотреть на него сбоку. Но обычно луч так и кажется белым. Объяснение было найдено в 1871 году замечательным физиком лордом Рэлеем (Джон Стретт). Он рассчитал, что если свет рассеивается на крупных частицах, например на пылинках, размер которых существенно больше длины волны любой из составляющих белого света, то он так и остается белым. Например, так и будет, если размер пылинки сопоставим с одним микрометром. А вот если размер окажется гораздо меньше, то голубой и фиолетовый начнут рассеиваться гораздо сильнее красного. Значит, рассеянный свет, окрашивающий небо, будет голубым. Теория прекрасно объясняла, почему солнце на восходе и закате красное: все из-за того, что лучу приходится проходить более толстые слои воздуха, синий цвет рассеивается еще сильнее, а красный попадает в глаз напрямую. Вот только смущало, что небо голубое как раз в тех местах, где пыли нет. На чем же тогда рассеивается свет? Рэлей предположил, что на молекулах воздуха. В 1906 году опыты американского астрофизика Чарльза Эббота по рассеянию света позволили оценить концентрацию молекул в воздухе, и она прекрасно совпала с уже известной из совсем других опытов. Однако радость продолжалась недолго. В 1907 году русский профессор физики Леонид Мандельштам, которому было всего 28 лет, обратил внимание, что теория Рэлея работает, если число молекул в единице объема воздуха достаточно мало, а в реальной атмосфере это не так. Голубой цвет неба снова стал необъяснимым, пока Мандельштам не понял: все дело в том, что воздух никогда не бывает однородным. Всегда вследствие случайных тепловых движений молекул в очень малых объемах воздуха образуются случайные изменения плотности. Вот поэтому-то и происходит рассеяние, придающее небу голубой цвет.

Все хорошо, и можно бы успокоиться. Но эти случайные флуктуации по расчету должны приводить к очень малому, трудно измеримому мерцанию неба. Опыт, который позволил бы доказать, что так и должно быть, Мандельштам вместе со своим коллегой Григорием Ландсбергом смог подготовить лишь через 18 лет. Это оказался очень тонкий, добросовестный опыт, в результате которого было открыто совершенно новое явление, получившее название комбинационного рассеяния. Оно на многие годы определило развитие оптики и в конце концов повлияло на открытие лазеров. Но это уже другой разговор. Важно то, что сильный научный результат не только отвечает на поставленные вопросы, но и обязательно рождает новые, еще более трудные и интересные.

Почему негры черные?

Хотя мы и будем обсуждать реальный природный факт, тема эта с точки зрения политкорректности довольно опасная. В цивилизованном мире в нынешнее время некорректно называть чернокожих неграми. Это все равно что называть евреев жидами. В Америке негров называют афроамериканцами или, как и в Европе, чернокожими, черными людьми — blackman или blacklady, без какого-либо дискриминационного оттенка.

Ответ о том, почему у африканцев черная кожа, в действительности очень простой. Он состоит в том, что в их коже в значительном количестве присутствует пигмент меланин. Он возник как защита живого существа от избыточного объема солнечной радиации, которого в Африке значительно больше, чем в северных странах. Во-первых, меланин благодаря черному цвету предохраняет организм от перегрева. Во-вторых, он поглощает вредное ультрафиолетовое излучение, приводящее к возникновению в организме так называемых свободных радикалов, которые настолько активны химически, что могут нанести вред. В-третьих, меланин вступает в реакцию с образовавшимися свободными радикалами и тем самым их обезвреживает. Кстати, черными бывают не только африканцы, но и жители Азии. Скажем, индийцы также смугло-черные и иногда более темные, чем африканцы. Причина та же — меланин.

У людей с белой кожей меланин также образуется от загара, но, если солнце перестает действовать, он быстро разрушается, и кожа снова светлеет.

Но при этом возникают два удивительных вопроса. Первый: если воздействие солнечной радиации приводит к тому, что меняется биохимия и становится больше меланина, происходит ли еще что-нибудь в организме, стимулируемое солнечным светом? Фотобиология говорит, что происходит. Мы знаем, что под действием солнечного ультрафиолета формируется витамин D, без которого человеку грозит рахит. Но еще множество гормонов синтезируется под воздействием солнечного света. Например, мы легко просыпаемся летом потому, что солнечное излучение приводит к синтезу гормона, способствующего пробуждению.

Второй удивительный вопрос заключается в том, что человечество разделилось на расы сравнительно недавно. Это разделение, по разным оценкам, произошло от 5 до 10 тысяч лет назад. Например, на экспозиции палеонтологического музея МГУ, посвященной великому оледенению, я видел материалы о том, что во Владимирской области при раскопках стоянки на реке Сунгирь был найден скелет негроидного подростка. Находили скелеты людей негроидной расы и под Воронежем, и в других районах Европы. Были они темнокожими или светлокожими, сказать трудно.

Но поражает, что разделение на белую и черную расы произошло так быстро. Согласно современным генетическим представлениям, все должно быть гораздо медленнее. Пока что наука плохо понимает, как вообще могут происходить такие быстрые изменения. Конечно, это менее удивительно, чем скорое выведение новых пород собак, но тоже сильно впечатляет.

Таким образом, простой вопрос, почему у людей черная кожа, заставляет задуматься о том, как человек возник и развивался и как он меняется сейчас. Для этого требуются усилия многих наук: и фотобиологии, и антропологии, и археологии, и генетики, и др.

Кстати, известно про афроамериканцев, что они стали несколько светлее, чем их предки, вывезенные из Африки. Не прошло и двухсот лет.

Почему нитки запутываются?

Каждый знает, что нитки часто запутываются, причем совершенно безнадежно! Запутываются лески, цепи, шнурки, шланги, все что угодно. Почему это происходит?

Точный ответ на этот вопрос нашли буквально 40 лет назад. Началось все с попыток рассчитать движение полимерных молекул. И здесь оказались очень успешными идеи академика Ильи Лившица. Оказывается, благодаря гибкости отдельные части полимерных нитей совершают практически независимые движения. Эти движения имеют много общего с хаотичным перемещением свободных частиц в газе, хотя есть и разница. И вот при определенных обстоятельствах, а именно в хорошем растворителе, полимерная нитка превращается в клубок.

Этими идеями воспользуемся и мы, чтобы посмотреть, как поведет себя наша нитка. Возьмем ее так, словно собираемся вдеть в иголку. Мы увидим, что благодаря упругости, потому что торчит только короткий кончик, угол на одном конце и угол на другом конце кусочка нитки жестко связаны друг с другом. Собственно, поэтому ее и удается вдеть в ушко иголки. Возьмем и немножко удлиним кусок нитки, удерживаемой между пальцами. Видите, что получилось? Провисание. Углы стали освобождаться от взаимной зависимости. Наконец, существует такая длина, при которой эти углы никак не связаны. Она очень важная физическая характеристика нити. Эта длина называется персистентной, то есть такой, при которой один угол перестает зависеть от другого. А это значит, что фрагменты единой нитки могут принимать случайное положение, в том числе возможно самопересечение нити. На плоскости это не приводит ни к чему: я ее потяну — она распутается. Но если движение происходит в трехмерном пространстве, то при блуждании в конце концов образуется узелок. Закономерно! Просто достаточно подождать некоторое время, и это обязательно произойдет. Таким образом, если нитка лежит в трехмерном пространстве, если у нее конечная гибкость и она начинает случайно изгибаться от разных воздействий, обязательно произойдет самопересечение, кончик войдет в петлю, а когда вы за этот кончик потянете, все запутается.

Поражает то, что такого типа ниток много (шнурки от ботинок и лески не в счет) — множество важных высокомолекулярных полимерных веществ, которые тоже представляют собой нитки. И с ними все эти процессы также происходят. К счастью, такие полимеры, как ДНК, в которой зашифрована наследственная информация о строительстве живого организма, свободны от запутывания. Двойная спираль ДНК, к счастью, жесткая, и поэтому с ней такого произойти не может.

Таким образом, нитки запутываются согласно закону природы. Если нитка гибкая, достаточно длинная, если она в трехмерном пространстве, то случайные движения ее фрагментов со 100%-ной гарантией приведут к тому, что возникнут самопересечения и все запутается.