Стейк из поднебесья

ВОПРОС: С какой высоты нужно уронить стейк, чтобы он упал на землю уже поджаренным?

– Алекс Лахей

ОТВЕТ: Надеюсь, вы любите стейки с кровью. И вам, возможно, придется разморозить стейк после того, как вы подберете его с земли.

Предметы очень сильно разогреваются, когда возвращаются из космоса. Когда объект входит в атмосферу, воздух не может убраться с его пути достаточно быстро и сжимается перед объектом – а сжатие воздуха приводит к его нагреванию. Вы почувствует нагрев от сжатия примерно тогда, когда скорость объекта превысит 2 М (вот почему передние кромки крыльев «Конкорда» были покрыты теплостойким защитным материалом).

Когда австрийский парашютист Феликс Баумгартнер прыгнул с высоты почти 39 км, он развил скорость в 1 М на высоте около 30 км. Этого достаточно, чтобы нагреть воздух на несколько градусов, но температура окружающего воздуха была настолько низкой, что перемены Баумгартнер не почувствовал (в верхней точке прыжка было около –40°, та волшебная точка, в которой не нужно уточнять, говорим ли мы о шкале Фаренгейта или Цельсия, – тут они совпадают).

Чтобы получить ответ на вопрос Алекса, я решил провести серию симуляций падения стейка с разных высот.

Стейк весом 8 унций (228 г) размерами и формой напоминает хоккейную шайбу, так что я рассчитывал коэффициент лобового сопротивления моего стейка, исходя из данных, приведенных на стр. 74 книги «Физика хоккея» (эти данные автор, Ален Хаше, получил собственноручно при помощи лабораторного оборудования)[52]. Стейк, конечно, не хоккейная шайба, но в конце концов выяснилось, что погрешность в расчете коэффициента сопротивления не слишком сильно влияет на результат.

Поскольку для ответа на все ваши вопросы мне часто приходится анализировать поведение необычных объектов в экстремальных физических условиях, то подходящие данные подчас можно найти только в отчетах о военных исследованиях, проводившихся в США во времена холодной войны (похоже, правительство США осыпало деньгами все проекты, хотя бы приблизительно похожие на разработки в сфере вооружений).

Чтобы оценить, насколько воздух нагреет падающий стейк, я посмотрел исследования, посвященные нагреву носового конуса межконтинентальных ракет в момент их возвращения в атмосферу. Наиболее полезными оказались «Прогнозы аэродинамического нагрева обтекателей тактических ракет» и «Температурные диаграммы для летательных аппаратов, входящих в плотные слои атмосферы».

Под конец я должен был выяснить, насколько быстро тепло распространяется по стейку. Я начал с того, что почитал статьи специалистов пищевой промышленности, которые описывали теплопроводность различных кусков мяса. Мне потребовалось некоторое время, пока я не сообразил, что есть гораздо более простой способ узнать, какое время и температура требуются для наиболее эффективного разогрева разных слоев стейка – заглянуть в поваренную книгу.

Отличная книга Джеффа Поттера «Кулинария для гиков» включает в себя в том числе и отличное введение в науку приготовления мяса, где объясняется, какие диапазоны температур хороши для стейка и почему. «Наука хорошей кулинарии» тоже оказалась полезной.

Собрав воедино все данные, я выяснил, что стейк будет быстро ускоряться, пока не достигнет высоты примерно в 30–50 км, после чего воздух станет достаточно плотным, чтобы снова замедлить падение куска этого куска мяса.

Скорость падающего стейка будет постепенно снижаться по мере возрастания плотности воздуха. Вне зависимости от того, с какой скоростью он летел, когда достиг нижних слоев атмосферы, он быстро замедлится до равновесной скорости – то есть такой, при которой сила сопротивления воздуха будет равна силе гравитации. Вне зависимости от того, с какой высоты изначально был сброшен стейк, ему потребуется шесть или семь минут, чтобы пролететь последние 25 км до земли.

На протяжении большей части этих 25 км температура окружающего воздуха будет ниже нуля, а значит, стейк проведет шесть или семь минут под воздействием ураганного ледяного встречного ветра. Даже если этот кусок поджарится за время падения, то когда он приземлится, его, возможно, потребуется разморозить.

В момент, когда стейк наконец достигнет земли, его скорость будет равновесной – около 30 м/с. Чтобы представить себе эту скорость, вообразите, что стейк был брошен питчером Национальной бейсбольной лиги. Если стейк в этот момент будет хотя бы отчасти заморожен, он легко может расколоться. Однако если он приземлится в воду, в грязь или в палую листву, то вероятно, все будет в порядке[53].

Стейк, который уронили с высоты 39 км, в отличие от Феликса Баумгартнера, скорее всего, не преодолеет звуковой барьер. Он также и не нагреется до сколько-нибудь заметной степени. В конце концов, и скафандр Феликса не был обожжен, когда он приземлился.

Стейк, вероятно, сможет пережить преодоление звукового барьера. Не считая опыта Феликса Баумгартнера, известны истории о пилотах, которые катапультировались на сверхзвуковых скоростях и оставались в живых.

Чтобы преодолеть звуковой барьер, нужно уронить стейк с высоты 50 км. Но этого все еще недостаточно, чтобы поджарить его.

Для этого надо подняться еще выше.

Если уронить стейк с высоты 70 км, он будет падать достаточно быстро, чтобы на некоторое время разогреться от столкновения с воздухом до 176 °С. К сожалению, разреженный воздух на такой высоте будет горячим не больше минуты, и каждый, у кого есть хоть какой-то опыт готовки, скажет вам, что кусок мяса, который поместили в духовку, разогретую до 176 °С, всего на 60 секунд, ни за что не прожарится.

При падении с высоты 100 км – что формально считается границей между атмосферой и космическим пространством – ситуация не намного улучшится. Стейк на полторы минуты разгонится на более чем 2 М, и его поверхность, скорее всего, подрумянится, но жар слишком быстро сменится ледяным дыханием стратосферы, чтобы мясо могло по-настоящему прожариться.

На сверх– и гиперзвуковых скоростях вокруг стейка сформируется ударная волна, которая поможет защитить его от ускоряющегося встречного ветра. Точная характеристика этого ударного фронта (и, следовательно, степень его влияния на стейк) зависит от того, как именно двести граммов сырого мяса ведут себя на сверхзвуковых скоростях. Я порылся в литературе, но не нашел соответствующих исследований.

Поэтому я могу лишь предположить, что на более низких скоростях возникнут определенные завихрения, которые заставят стейк беспорядочно кувыркаться, тогда как на гиперзвуковой скорости он будет сдавлен и примет форму полустабильного сфероида. Однако все это совершенно произвольные догадки. Если у кого-то из вас есть возможность поместить стейк в аэродинамическую трубу и смоделировать в ней гиперзвуковую скорость, чтобы получить более точные результаты, пожалуйста, пришлите мне потом видео.

Если уронить стейк с высоты 250 км, температура становится выше: 250 км – это окрестности околоземной орбиты (нижняя точка орбиты космического аппарата Гагарина была на 80 км ниже). Однако стейк, поскольку мы роняем его из неподвижного положения, двигается не так быстро, как объект, входящий в атмосферу с орбиты.

В этом сценарии стейк достигает максимальной скорости в 6 М, и внешняя его поверхность может приятно подрумяниться. Внутри мясо, увы, все еще сырое (и это еще при условии, что стейк не войдет в зону турбулентности и не разорвется на куски).

На бо?льших высотах жар будет вполне серьезным. Ударная волна перед стейком создаст температуру в несколько тысяч градусов (Фаренгейта или Цельсия – неважно). Проблема с такой температурой заключается в том, что жар полностью сожжет поверхность стейка, обуглив ее.

Обугливание – нормальное следствие того, что мясо находится в огне. При этом на гиперзвуковых скоростях хрупкий обуглившийся слой будет срываться встречным потоком воздуха, обнажая следующий слой мяса, который, в свою очередь, будет тоже обугливаться и сдуваться (в космических технологиях такой процесс выгорания поверхности называют абляцией).

Но даже на такой высоте жар все еще не будет столь продолжительным, чтобы стейк успел полностью прожариться[54]. Но мы можем пробовать все более и более высокие скорости или продлить время прожарки, роняя стейк с орбиты под разными углами.

Но если температура будет достаточно высокой в течение достаточно долгого времени, стейк постепенно будет уменьшаться, поскольку верхний слой будет снова и снова обугливаться и сдуваться. И если какая-то часть стейка все же доберется до земли, внутри мясо все еще будет сырым.

Вот почему нам надо уронить стейк не куда-нибудь, а на Питтсбург.

Как гласит одна история (вероятно, выдуманная), сталевары в Питтсбурге готовили стейки, выкладывая их на раскаленные металлические листы, вышедшие прямиком из литейного цеха. При этом поверхность стейка прожаривалась, а внутренняя часть оставалась сырой. Предположительно, отсюда и пошел термин «по-питтсбургски с кровью» (Pittsburgh rare).

Итак, вышвырните стейк из ракеты на орбите, отправьте поисковую команду его подобрать, отряхните его, разогрейте, срежьте обугленные части – и можете запускать в него зубы!

Только убедитесь, чтобы в нем не было сальмонеллы – не говоря уже о штамме «Андромеда»…