Георгий Гамов - Мистер Томпкинс внутри самого себя

Услышав в голосе своего нового знакомого дружеские нотки, мистер Томпкинс осмелел и решился продолжить разговор.

— А что особенного в функционировании мышц? — спросил он. — Есть люди сильные, есть люди слабые. Все зависит от тренировки.

— Раз вы так считаете, попробуйте подпрыгнуть, — неожиданно предложил седовласый атлет.

Учась в колледже, мистер Томпкинс уделял немало времени занятиям легкой атлетикой, и, немало удивившись странной просьбе, он подпрыгнул чуть более чем на фут1.

— Неплохо, — прокомментировал его новый знакомый. — Вы подпрыгнули примерно на У5 своего роста. А знаете ли, что лягушка прыгает в высоту на 3 длины своего тела, кузнечики — на 18 длин своего тела, а блохи — почти на 100 длин своего тела?

— Любопытно, —признал мистер Томпкинс. — Ну и что? Сколь значителен этот факт?

— Весьма значителен для понимания того, как работают мышцы. Если высоту прыжков мелких и крупных животных измерять не в длинах их тел, а в футах и дюймах2, то окажется, что все они могут поднять себя от уровня земли примерно на одну и ту же высоту — где-то между 6 дюймами и 2 футами. — Разумеется, бывают некоторые исключения, поскольку строение и длина ног у различных видов различна; слон вообще не может прыгать, а кенгуру прыгает в высоту на несколько футов.

— А в чем причина, профессор? — поинтересовался мистер Томпкинс.

— Прежде всего прошу вас не называть меня профессором. Все здесь, заслуженно или незаслуженно, зовут меня Сентом3.

Но вернемся к мышцам. Факт, о котором идет речь, может быть объяснен с помощью простого закона механики, впервые сформулированного сэром Исааком Ньютоном. Движение ваших конечностей обусловлено сокращением ваших мышц, прикрепленных к костям вашего скелета. Когда вы двигаете ногами во время ходьбы или совершая прыжок, поднимаете руку или движете пальцами, например, как вы это делаете, когда пишете письмо, мышцы сокращаются, и получается требуемое движение. Так как мышцы могут только тянуть, а не толкать, чтобы возвращать кости в исходное положение, нужна другая мышца. Поэтому мышцы обычно встречаются парами с противоположных сторон кости. Например, существуют две мышцы, соединяющие вашу плечевую кость и ваш локоть, они проходят вдоль плечевой кости с противоположных сторон. Одна мышца, известная под названием бицепса, проходит вдоль передней стороны кости. Другая мышца, трицепс (иногда ее называют теннисной мышцей, поскольку она играет важную роль при отбивании мяча в теннисе), проходит вдоль задней стороны кости.

1 1 фут=0,3047 см.— Прим. перев.

2 Дюйм (У12 фута) составляет 2,54 см. — Прим. перев.

3 Прототипом этого персонажа, явно послужил американский биохимик венгерского происхождения, автор фундаментальных работ по мышечному сокращению, лауреат нобелевской премии 1937 г. Альберт Сент-Дьердьи, с которым Г. А. Гамов был лично знаком, Сент (Szent) по-венгерски святой. — Прим. перев.

Движение скелета вызывается сокращением одной из мышц и расслаблением другой.

— Но почему все живые существа, большие и малые, прыгают примерно на одну и ту же высоту? — продолжал вопрошать мистер Томпкинс.

— Очень простое объяснение этому дает ньютоновская механика, — ответил Сент. — Предположим, что перед вами два живых существа, обладающих сходным строением скелета, пусть одно из них, скажем блоха, а другое — лягушка. Блоха имеет в длину около 1/10 дюйма, а лягушка может достигать в длину примерно 3 дюймов. Иначе говоря, лягушка примерно в 30 раз длиннее, в 30 раз шире и в 30 раз выше блохи. Это означает, что вес лягушки примерно в 3-30-30 = 27000 раз превосходит вес блохи. При совершении прыжка мышцы лягушки и блохи сокращаются, выделяя энергию, которая необходима, чтобы поднять их на некоторую высоту над землей. Сколько энергии вырабатывают мышцы лягушки и блохи? Поперечное сечение мышц лягушки в 30 * 30 = 900 раз больше поперечного сечения мышц блохи, поэтому если сила тяги, создаваемая сокращением мышц и приходящаяся на единицу поперечного сечения, в обоих случаях одинакова, то сила тяги, создаваемая мышцами лягушки, оказывается в 900 раз больше, чем у блохи. Кроме того, так как мышцы лягушки в 30 раз длиннее мышц блохи, их сокращение также в 30 раз больше сокращения мышц блохи. Все это позволяет нам заключить, что энергия, получаемая при сокращении мышц лягушки в 30 * 900 = 27 000 раз больше энергии, получаемой при сокращении мышц блохи. Но, как я вам уже говорил, эта гораздо большая энергия должна поднять в воздух гораздо больший (в 27 000 раз!) вес. По законам ньютоновской механики высота, на которую может быть поднято данное тело над землей, прямо пропорциональна имеющейся энергии и обратно пропорциональна весу тела. Таким образом, отношение высоты прыжка для лягушки и блохи равно 27000 / 27000 = 1.