Естествознание - от 6 до 11 лет
Самолёты, которые говорят
Четыре урока о том, как каждый самолёт в небе сообщает миру, где он, и как мы можем его слушать. К концу ты сможешь объяснить всё это от начала до конца и часть этого построишь своими руками.
Урок 1
Оживлённое небо и говорящий самолёт
Прямо сейчас над твоей школой почти наверняка есть самолёт. Скорее всего, не один. Ты их не видишь, потому что они в десяти километрах над землёй, выше самой высокой горы в Европе, и летят со скоростью 900 километров в час, то есть 250 метров каждую секунду. В обычный день Европу пересекают около тридцати тысяч самолётов. Ни один из них не видит других как следует, и ни у одного нет дороги, по которой ехать. Поэтому кто-то на земле должен всё время знать, где каждый из них, чтобы их разводить. Этот человек - авиадиспетчер. Но как человек в комнате на земле может знать, где самолёт, в десяти километрах над ним, за облаками?
Долгое время ответом был радар: огромная вращающаяся тарелка, которая посылает радиоимпульс и слушает слабое эхо, отскочившее от самолёта. Радар есть и сейчас. Но сегодня большинство самолётов делают кое-что похитрее. У каждого современного самолёта на борту есть спутниковый приёмник, такой же, как тот, благодаря которому работает карта в машине или в телефоне, поэтому самолёт всегда точно знает, где он. А ещё у самолёта есть маленькая рация. И вместо того чтобы ждать, пока кто-то на земле его найдёт, самолёт просто сам говорит всем, где он. Примерно дважды в секунду его рация посылает короткое сообщение: кто я, где я, как высоко, как быстро лечу. Никто об этом не просит. Никто не нажимает кнопку. Оно просто уходит в эфир, снова и снова, всем, кто слушает.
Сообщение не может состоять из слов. Рация умеет только одно: послать крошечный импульс или не послать. Поэтому сообщение состоит из ответов «да» или «нет», 112 штук подряд, и все договорились, что значит каждый. Первые 24 ответа составляют имя самолёта - код, который ему дают при постройке и который он хранит всегда, как номерной знак. На 24 вопроса «да/нет» можно ответить почти 17 миллионами разных способов, так что у каждого самолёта в мире может быть своё имя. Последние 24 ответа - проверка: слушатель делает над сообщением вычисление, и если результат не сходится, сообщение по дороге перепуталось и выбрасывается. Самолёт всё равно пошлёт его снова через полсекунды.
Вот что нужно запомнить из этого урока, потому что многие взрослые тут ошибаются: никто не ищет самолёт. Самолёт объявляет о себе сам. Спутники за ним не следят; они только сообщают ему время, а остальное он вычисляет сам.
Урок 2
Невидимый свет: на чём летит сообщение
Сообщение покидает самолёт в виде радиоволны. А радиоволна - это свет. Не что-то похожее на свет, а то же самое, что выходит из фонарика или из Солнца, и летит оно с той же скоростью: 300 000 километров каждую секунду, семь раз вокруг Земли за то время, пока ты скажешь «раз».
Так почему же ты его не видишь? Тряси верёвку медленно - получишь длинные ленивые волны; тряси быстро - короткие и частые. Свет тоже волна, и разные цвета - это разные скорости колебаний. Красный колеблется быстро; фиолетовый - ещё быстрее. Наши глаза замечают только узкую полоску скоростей колебаний - цвета радуги. Радио колеблется слишком медленно, чтобы глаза его уловили, хотя волна самолёта всё равно колеблется больше тысячи миллионов раз в секунду. Радио - это цвет, которого мы не видим. Собаки слышат свистки, которых мы не слышим; пчёлы видят на цветах узоры, которых мы не видим; а антенна видит цвет света, которого не видим мы.
Из-за того, что волна самолёта колеблется медленно, она длинная: от одного гребня до следующего - 27 сантиметров, примерно длина линейки. Подними линейку. Тысячи гребней такого размера проходят через класс прямо сейчас, от каждого самолёта в радиусе 400 километров, и никто их не чувствует.
А теперь самая важная фраза этого урока. Радио - это не звук. Коробка, которую называют «радио», издаёт звук, и это сбивает с толку, но сами радиоволны - беззвучный свет. Звук - это воздух, толкающий воздух; ему нужен воздух, чтобы двигаться, и он медленный, около 340 метров в секунду, поэтому молнию ты видишь раньше, чем слышишь гром. Радио не нужно ничего: оно пересекает пустое пространство между спутниками и самолётом, где воздуха нет совсем. И оно почти в миллион раз быстрее звука. Рёв двигателей самолёта - это звук, и он долетает до тебя, когда самолёт давно пролетел. Сообщение самолёта - это свет, и оно долетает до антенны в 20 километрах меньше чем за одну десятитысячную секунды.
Урок 3
Металлические уши и круглая Земля
Если радио - цвет, которого мы не видим, то кто его видит? Кусок металла, который называется антенна. Когда радиоволна проходит мимо куска металла, она заставляет электричество внутри металла качаться туда-сюда в такт с волной. Это крошечное качание и есть слышание, и машина, которая называется приёмник, читает по нему импульсы самолёта. Оглянись: у Wi-Fi-роутера есть антенны, у машины есть антенна на крыше, у твоего телефона она спрятана внутри у края, а на крыше школы их, наверное, несколько.
Антенна - это настроенное ухо. Качели взлетают выше всего, когда их толкают в такт их собственному движению туда-сюда, а кусок металла «качается» электрически лучше всего, когда у него правильный размер для волны: четверть длины волны. Волна самолёта - 27 сантиметров, значит, лучшая антенна для неё - высотой около 7 сантиметров. Вот почему настоящая антенна, и на самолёте, и на земле, - маленький штырёк, а не большая тарелка. Здесь «больше» не значит «лучше». Важен правильный размер, а правильный размер мал.
А как далеко металлическое ухо может услышать самолёт? Это решает кое-что удивительное: Земля круглая. Радио - это свет, свет летит по прямой, а сквозь землю пройти не может. Поэтому прямая линия от антенны на крыше скоро упирается в изгиб Земли, и любой самолёт за этим изгибом спрятан, как бы громко он ни говорил, - как корабль, ушедший за горизонт. Чем выше ты, тем дальше видишь за изгиб; ты знаешь это, когда встаёшь на стул, чтобы увидеть поверх толпы. Вот почему антенны ставят на крыши, мачты и холмы. С крыши антенна может услышать самолёт на высоте десять километров с расстояния больше 400 километров - дальше, чем от Брюсселя до Парижа и обратно. А самолёт, который только что взлетел из аэропорта в 50 километрах, может быть полностью спрятан за Землёй, пока не поднимется достаточно высоко, чтобы выглянуть из-за неё.
Урок 4
Много ушей - одна карта
Одна антенна на одной крыше слышит самолёты в круге неба диаметром несколько сотен километров. Чтобы увидеть всю Европу, нужны сотни антенн - на домах, в аэропортах и школах, - расставленных так, чтобы их круги перекрывались. Каждая отправляет то, что слышит, через интернет в компьютер, и компьютер складывает круги вместе, как пазл. Один и тот же самолёт обычно слышат десять или двадцать антенн сразу; компьютер замечает, что это один и тот же самолёт, и рисует его только один раз. Если одна антенна сообщает о самолёте там, где с ней не согласны все остальные антенны, компьютер понимает, что это, скорее всего, ошибка, и не учитывает её.
В результате получается карта в реальном времени: каждый самолёт, который говорит: где он, как высоко, как быстро, в какую сторону, и всё обновляется каждую секунду. И теперь ты знаешь всю цепочку от начала до конца. Самолёт слушает спутники и вычисляет, где он. Он говорит об этом дважды в секунду сообщением из 112 ответов «да/нет». Сообщение едет на волне невидимого света. Настроенное металлическое ухо на крыше ловит его, пока самолёт выше изгиба Земли. А сотни ушей вместе, делясь тем, что слышат, складывают карту. Никто на земле ничего не измерял. Самолёты нам сказали, а мы послушали.
Последний вопрос - из тех, что хороший учёный всегда задаёт. Показывает ли карта каждый самолёт? Нет. Она показывает те самолёты, которые говорят. Почти все большие авиалайнеры говорят. У некоторых маленьких самолётов, планеров и воздушных шаров такой рации нет, а некоторые военные самолёты сами решают ею не пользоваться. Так что карта честная, но не полная. Полных карт не бывает.
Викторина «Слушатель неба»
Выбери ответ. Если он неверный, подумай ещё и попробуй другой; смысл в том, чтобы понять почему.
1. Как часто самолёт посылает своё сообщение?
2. Кто узнаёт, где находится самолёт?
3. Что такое радиоволна?
4. Почему антенну ставят на крышу?
5. Почему карте нужны сотни антенн?
Конец
Собери металлические уши
Теперь ты знаешь всю историю: самолёт, который говорит, невидимый свет, металлические уши и круглая Земля, и карта, которую делают много слушателей. Последний шаг - стать одним из слушателей. У твоего учителя есть страница, которая объясняет, как собрать настоящий приёмник для школы, с настоящей антенной на крыше или у окна. Когда он заработает, самолёты над твоей школой будут на большой карте, потому что их услышал твой класс.