При движении ракет и других летательных аппаратов с большими скоростями в атмосфере, даже разреженной, возникают чрезвычайно высокие температуры, которые приводят к сильному нагреву стенок аппарата. Проблема «кинетического» нагрева весьма остра в авиации и ракетной технике. Необходимо изыскивать новые материалы и покрытия, способные выдерживать высокие температуры. Изучение движения тел при очень высоких температурах нагрева показало, что в так называемом пограничном слое (тонкий слой воздуха у стенок летательного аппарата) возникают электромагнитные явления, которые также необходимо учитывать. Исследованием электромагнитных явлений в пограничном слое занимается новая ветвь аэродинамики — магнитогидродинамика.
И наконец, о ракетодинамике. Основы ее создал выдающийся русский ученый К. Э. Циолковский. В своей знаменитой работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.) великий ученый установил основные законы движения ракет, вывел свою знаменитую формулу для расчета скорости многоступенчатой ракеты. В настоящее время это «настольная» формула для любого специалиста по ракетной технике. В результате развития аэродинамики, ракетодинамики и других направлений физики, использования достижений химии, радиоэлектроники, металлургии, приборостроения и оказалось возможным создать образцы военной ракетной техники. В настоящее время это важнейшая система вооружения.
Для этого вида оружия характерна высокая боевая эффективность во всем диапазоне дальностей, начиная от нескольких десятков и кончая несколькими сотнями километров. Ракеты оперативно-тактического назначения надежны в эксплуатации, не требуют много времени для подготовки к пуску. Они могут нести и ядерные заряды. Это открывает широкие возможности для поражения ядерными ударами любых объектов противника на поле боя. Точность наведения ракет сегодня такова, что ракета, пролетев свыше 12 тыс. км, отклоняется от заданной точки не более одного километра.
Физика в последние годы многого добилась и в области учения об электричестве и магнетизме, теории электромагнитного поля, электромагнитных волн и других разделов. Это привело к появлению таких самостоятельных наук, как, например, радиофизика и электроника. Они стали основой современных достижений в области радиоэлектроники, телемеханики, автоматики, вычислительной техники, без которых немыслимо развитие и применение современной военной техники.
Выдающееся научное достижение замечательного русского ученого А. С. Попова, открывшего принцип радиосвязи и явление отражения электромагнитных волн, последующие открытия физиков в области радиолокации и радиофизики ультракоротких волн привели к бурному внедрению в армии различных радиотехнических и радиоэлектронных систем. Они составляют сейчас основы систем связи, аппаратуры ночного видения, обнаружения самолетов и ракет в полете, управления полетом крылатых и баллистических ракет, используются для создания помех радиотехническим средствам управления противника.
Особое значение в военном деле получила радиолокация. Она стала важнейшим средством при создании эффективной противосамолетной и противоракетной обороны. Современные радиолокаторы, как отмечалось в зарубежной печати, в состоянии отыскать цель (самолет, ракету) на расстоянии 5000 км и более.
Большие возможности открываются благодаря достижениям в области физики твердого тела и полупроводников. Аппаратура связи, радиолокации, наведения становится более надежной в работе, компактной по размерам. Электронные приборы на полупроводниках не боятся ударов, тряски и могут служить в 5—10 раз дольше, чем на обычных радиолампах. Аппаратура становится более удобной и миниатюрной. Уже сейчас на вооружении армий появились компактные радиолокаторы на полупроводниках, легко переносимые одним-двумя солдатами. Есть отдельные типы радиостанций, которые можно разместить в каске.
Однако это не все. Достижения молекулярной электроники позволяют создать аппаратуру поистине микроскопических размеров. Она может быть собрана на специальных тончайших пленках или на так называемых твердых схемах. Твердыми их называют потому, что вся схема прибора спрятана внутри твердого вещества — кристалла.
Несколько слов еще об одном новом направлении в физике — квантовой радиофизике. Ее успехи открывают пути получения электромагнитных колебаний высокой интенсивности в узких лучах. Такие приборы в зарубежной литературе называют лазерами. По данным американской печати, при помощи лазеров удалось получить в импульсе мощность порядка 1–3 млн. вт. Подсчитано, что радиостанции на лазерах будут способны одновременно передавать тысячи телевизионных программ и телефонных переговоров. Некоторые зарубежные специалисты пытаются использовать квантовые генераторы для создания нового вида оружия — лучевого, которое якобы способно уничтожать живую силу и технику.
Мы рассмотрели основные направления, по которым физика — поистине безграничная в своих возможностях наука — влияет на современное военное дело. Как видно, это влияние огромно, и, несомненно, оно будет непрерывно возрастать. Точно так же обстоит дело и с другими областями современной науки. Это обязывает советских воинов всесторонне изучать не только тот вид техники, который им вверен, но и овладевать основами всех научно-технических знаний, связанных с прогрессом в военном деле. Широкие знания помогут воинам лучше усвоить свою роль и место как вооруженных защитников Родины, с большим эффектом выполнять задачи, связанные с дальнейшим укреплением оборонного могущества нашей страны.
ИЗ ГЛУБИН ВЕЩЕСТВА
Сейчас уже всем известно, какой огромной разрушительной мощью обладает ядерное оружие. Тротиловые эквиваленты термоядерных зарядов межконтинентальных баллистических ракет измеряются несколькими миллионами и даже десятками миллионов тонн. Эта цифра станет более понятной, если учесть, что общее количество взрывчатых веществ, использованных за всю вторую мировую войну, составило приблизительно 3 млн. т тротила.
Наряду с мощными ядерными зарядами, предназначенными для решения стратегических задач, созданы ядерные заряды для использования на поле боя. Их тротиловый эквивалент колеблется от нескольких десятков до десятков тысяч тонн. Создание столь разнообразного арсенала ядерного оружия обязано достижениям физики XX столетия — открытию ядерной энергии. Но само это открытие было бы невозможным без познания ряда физических закономерностей микромира.
В 1905 г. великий физик нашего столетия Эйнштейн опубликовал законы теории относительности. Согласно этой теории масса тела (частицы) не остается постоянной при движении. Зависимость массы тела от скорости движения определяется формулой
где m0 — масса покоящегося тела (масса покоя);
v — скорость движения тела;
с — скорость распространения света в пустоте.
Согласно этому закону для малых скоростей v масса m тела практически равна m0, но при приближении v к скорости света с масса тела m быстро возрастает.
Другой важный закон теории относительности — соотношение между массой тела m и его энергией E, которое равно:
Разложив в ряд это выражение для энергии Е, получим такую зависимость:
Выведенная формула дает общую энергию, которой обладает тело массы m0, движущееся со скоростью v. Постоянный член m0с2 представляет собой энергию, присущую самому телу. Второй член в формуле не что иное, как обычное выражение кинетической энергии тела (т. е. энергии механического движения), встречающееся в классической механике. Видно, что при малых скоростях тела v второй и последующие члены в формуле малы по сравнению с первым членом.
Этот фундаментальный закон теории относительности — закон взаимосвязи массы и энергии — сыграл выдающуюся роль в раскрытии многих тайн атома и его ядра. На его использовании основано получение энергии при расщеплении тяжелых ядер атомов, которое практически осуществляется в реакторах и ядерных боеприпасах. Этот закон показал и путь получения энергии при соединении легких ядер атомов — путь, используемый пока что лишь в термоядерных боеприпасах. Но недалек день, когда люди научатся управлять термоядерной реакцией по своему усмотрению. Эго навсегда избавит человечество от угрозы истощения энергетических ресурсов.
Но как же практически применяется закон взаимосвязи массы и энергии?
По современным представлениям, вся природа состоит из мельчайших частиц — атомов. Атом — сложная частица, состоящая из ядра, вокруг которого вращаются электроны. В ядро входят частицы, примерно равные по массе — протоны и нейтроны. В ядрах легких и средних элементов число протонов равно числу нейтронов. В более тяжелых ядрах число нейтронов несколько больше числа протонов, а в тяжелых ядрах количество нейтронов примерно в 1,5 раза больше, чем протонов. Число электронов на орбитах равно числу протонов в ядре. Интересно, что по весу протон (нейтрон) примерно в 1836 раз тяжелее электрона. Это значит, что в ядре атома сосредоточена почти вся его масса. Согласно закону взаимосвязи массы и энергии в ядре атома сосредоточена в основном и вся его энергия. Вот почему ученые обратили внимание на ядро атома, когда встал вопрос о выделении ядерной энергии.
Часть энергии атома, заключенная в электронной оболочке, выделяется при химических реакциях (горение топлива, взрыв обычных взрывчатых веществ) и называется химической. Взрыв одного килограмма тротила дает около тысячи больших калорий, сгорание килограмма хорошего каменного угля — до 7 тыс., а килограмма нефти — до 11 тыс. больших калорий химической энергии. Вся эта энергия выделяется только в результате перестройки электронных оболочек атомов, участвующих в реакциях взрыва или горения.
Поскольку электронная оболочка содержит незначительное количество энергии по сравнению с энергией ядра, то и изменение массы при сжигании 1 кг каменного угля очень ничтожное, равно 1,68×10