В новом выпуске программы StarTalk знаменитый астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его бессменный соведущий Чак Найс разбирают физику и практическое применение одного из самых важных изобретений человечества — центрифуги. От разделения фракций крови в медицинских лабораториях до обогащения урана в рамках Манхэттенского проекта и создания искусственной гравитации в космосе — участники дискуссии объясняют, как вращение позволяет управлять материей.
🏺 Гравитация как «ленивая» центрифуга 0:30
Нил Деграсс Тайсон предлагает взглянуть на обычную бутылку с каким-либо раствором, стоящую на столе, как на простейшую форму центрифуги. Если взболтать жидкость и оставить её в покое, со временем частицы разделятся: более плотные осядут на дно, а менее плотные поднимутся наверх .
Ключевые физические принципы этого процесса:
- Плотность против веса: Тайсон подчеркивает, что разделение происходит именно по плотности, а не по абсолютному весу объекта .
- Пример с бревном: Тяжёлое дерево плавает в воде, потому что оно менее плотное, чем вода, в то время как маленький, но плотный камень тонет .
- Уровень плавучести: То, насколько высоко объект (например, пенопласт или дерево) поднимается над поверхностью воды, напрямую зависит от разницы в плотности между ним и жидкостью .
Тайсон называет обычную бутылку на столе «пассивной центрифугой в 1G» . В условиях земной гравитации разделение веществ происходит со стандартной скоростью, определяемой массой планеты.
🌀 Искусственная гравитация и физика вращения 2:34
В научной фантастике часто показывают вращающиеся космические станции. По словам Тайсона, это корректный с точки зрения науки способ создания искусственной гравитации . Когда станция вращается, возникает центробежная сила, которую люди на внутреннем ободе станции воспринимают как вес.
Для эффективной работы центрифуги важны два фактора:
- Скорость вращения: Чем быстрее вращается объект, тем выше центробежная сила и тем эффективнее происходит разделение фракций .
- Радиус: Чем длиннее «плечо» (расстояние от центра вращения до объекта), тем лучше работает центрифуга при заданной скорости .
Чак Найс и Нил Тайсон отмечают, что в лабораторных центрифугах (например, для разделения компонентов крови) критически важна балансировка . Если не поставить напротив пробирки с кровью уравновешивающую её пробирку, прибор выйдет из строя из-за вибрации. В качестве бытовой аналогии они приводят стиральную машину в режиме отжима: если белье распределено неравномерно, машина начинает «прыгать» по комнате .
☢️ Манхэттенский проект и обогащение урана 5:25
Одним из самых известных и стратегически важных применений центрифуг в истории стал Манхэттенский проект . Основная проблема заключалась в том, что природная урановая руда содержит смесь изотопов: Уран-238 и Уран-235.
Тайсон описывает процесс разделения следующим образом:
- Разница в массе: Уран-235 и Уран-238 химически идентичны, но имеют разное количество нейтронов в ядре (разница составляет всего три нейтрона) .
- Перевод в жидкое состояние: В твердом состоянии атомы зафиксированы. Чтобы разделить их, уран необходимо расплавить (или перевести в газообразную форму), чтобы атомы могли свободно перемещаться .
- Процесс каскадирования: В центрифуге более тяжелый Уран-238 смещается к внешнему краю (условному «дну»), а более легкий Уран-235 остается ближе к центру .
- Многократное повторение: Поскольку за один цикл идеального разделения не происходит, ученые «отсекают» обогащенную часть и снова отправляют её в следующую центрифугу. Этот процесс повторяется многократно до достижения нужной концентрации .
По мнению Тайсона, именно поэтому строительство большого количества центрифуг в любой стране мира вызывает мгновенную реакцию международного сообщества и введение санкций — это явный признак работы над созданием ядерного оружия .
🤢 Перегрузки и человеческий фактор 9:31
Когда пилот истребителя выполняет сложный маневр, например «бочку», он испытывает перегрузки в 4G или 5G. Тайсон утверждает, что технически в этот момент тело пилота само становится объектом в центрифуге . Все жидкости и органы внутри тела начинают стремиться в сторону от центра вращения под действием возросшей силы.
Собеседники поделились личным опытом столкновения с высокими перегрузками:
- Опыт Тайсона: Нил проходил испытания в центрифуге в Университете Брандейса (Brandeis University) во время исследований космоса . Он признался, что после испытания его стошнило.
- Физика тошноты: Тайсон дал важный совет на случай, если вас тошнит в центрифуге: нужно повернуть голову вбок . Если смотреть прямо в центр, центробежная сила будет заталкивать рвотные массы обратно в горло. Поворот головы позволит силе «выбросить» их в сторону.
- Опыт Чака Найса: Соведущий вспомнил аттракцион в парке «Great Adventure», где людей буквально «приклеивает» к стенам вращающегося цилиндра . Он иронично заметил, что, судя по его реакции на вращение, у него явно нет «нужных качеств» (the right stuff) для покорения космоса .
