Сброс стейков

С какой высоты нужно сбросить стейк, чтобы, падая на землю, он приготовился?

— Алекс Лахей

Я надеюсь, вы предпочитаете стейки Питтсбургской прожарки^[1].↲Питтсбургская прожарка — кусок говядины обжаривают при очень высокой температуре таким образом, что он снаружи готов, а внутри сырое или слабопрожаренное мясо.↳ И, возможно, вам придется разморозить его после того, как вы его подберёте.

Предметы становятся по-настоящему горячими, когда прилетают из космоса. Строго говоря, это происходит не из-за трения о воздух, а из-за его сжатия. Воздух не может расступиться достаточно быстро на пути предмета и разогревается от сжатия и разогревает предметы.

В соответствии с правилом большого пальца^[2],↲Правило большого пальца — некий общий принцип, который может применяться к ситуации, недостаточно прописанной в правилах. Обычно он заключается в применении к необычной ситуации бытовой логики, основного механизма системы или наиболее подходящей подсистемы.↳ нагрев от сжатия воздуха станет заметным при превышении скорости в 2 Маха (у «Конкорда», например, на переднем крае крыльев был термоустойчивый материал).

Несколько месяцев назад парашютист Феликс Баумгартнер прыгнул с высоты 39 километров и превысил скорость в 1 Мах примерно на высоте 30 километров. Этого было достаточно, чтобы разогреть воздух на несколько градусов, но температура была настолько низка, что процесс не привел к какому-либо видимому результату (ранее, в его прыжке температура была около минус 40 градусов, причём это волшебное значение, при котором не имеет смысла уточнять, указано по Фаренгейту или по Цельсию — оно равно для обоих).

Насколько я знаю, вопрос про стейк изначально появился в длинном треде на Форчане, который быстро рассыпался на малоинформативные физические тирады, смешанные с гомофобными оскорблениями. В итоге, никакого точного ответа найдено не было.

Для получения точного ответа, я решил рассчитать серию моделей, описывающих поведение падающего с различной высоты стейка.

Для этого мне потребовалось провести несколько исследований.

Я использовал модели плотности атмосферы, заложенные в Mathematica^[3],↲Mathematica — программный пакет для вычислений.↳ чтобы получить графики падения стейков. Хороший пример такого расчета можно найти в статье в Wolframʼs Blog, посвященной анализу прыжка Феликса Баумгартнера.

Стейк, масса которого 220 грамм, по размерам и форме схож с хоккейной шайбой, а посему я взял за основу данные о коэффициенте трения с 74-й страницы «Физики хоккея» (автор книги, Алайн Хоше, сам измерил это значение на лабораторном оборудовании). Стейк, конечно, не хоккейная шайба, но оказалось, что точное значение коэффициента трения не слишком сильно влияет на полученный результат.

Я использовал пришедшийся очень кстати калькулятор разогрева при сжатии, созданный в NASA, чтобы определить температуру сжатого слоя перед стейком.

Мы в этом блоге стараемся «раскрутить» историю целиком, но я нашёл единственное подходящее исследование, которое бы помогло разобраться — военные учения США эпохи «холодной войны» (очевидно, правительство США раздавало деньги лопатами на всё, что было хоть как-то связано с оружием). Для того, чтобы понять, как воздух может нагреть стейк, я прочитал исследовательские работы по изучению нагрева носового конуса межконтинентальных баллистических ракет при их возврате в атмосферу. Двумя наиболее полезными работами оказались «Прогнозы аэродинамического нагрева крышек корпуса тактических снарядов» и «Подсчёты временной зависимости температуры летательных аппаратов, повторно входящих в плотные слои атмосферы».

Наконец, мне необходимо было выяснить, насколько быстро тепло будет распространяться по стейку. Я посмотрел некоторые документы по производству продуктов питания, в которых моделировались потоки тепла, распространяющиеся по различным кускам мяса. Понадобилось какое-то время, чтобы понять, что есть куда более простой путь для вычисления того, как эффективно нагревать различные слои стейка — поваренная книга.

Прекрасная книга Джеффа Поттера «Готовка для гиков» замечательно иллюстрирует основные принципы приготовления мяса и объясняет, какой стейк выйдет в разных диапазонах температур и почему. «Наука хорошего приготовления» Кука тоже была полезной.

В итоге я выяснил, что стейк будет быстро ускоряться до тех пор, пока не достигнет высоты в 30–50 километров. Там воздух становится достаточно плотным для того, чтобы кусок мяса начал замедляться.

Скорость стейка станет постоянно падать по мере того, как воздух будет становится плотнее. Неважно, с какой скоростью стейк продолжит двигаться, когда войдёт в нижние слои атмосферы — он быстро замедлится до предельной скорости. Требуется около 6–7 минут для того, чтобы упасть с 25-километровой высоты на землю.

Большую часть из этих 25 километров температура воздуха ниже нуля, что означает, что стейк проведет 6–7 минут под сильным потоком воздуха отрицательной температуры. Даже если он всё-таки будет приготовлен к моменту падения, вам скорее всего придется разморозить стейк после его приземления.

Когда стейк, наконец, ударится об землю, вне зависимости от начальной высоты, его скорость в момент столкновения будет порядка 30 метров в секунду. Чтобы понять, что это такое, представьте себе, что этот стейк швыряет оземь питчер высшей лиги. Если стейк частично заморожен, он может легко разбиться на куски. Однако, если он приземлится в воду, грязь или листву, то вероятно он останется в порядке (не чистым, конечно, но невредимым).

Стейк, сброшенный с 39 километров, несмотря на результаты Феликса, вряд ли пробьёт звуковой барьер. Также, он не будет особо нагрет. Довольно здравая мысль: в конце концов, костюм Феликса же не подгорел.

Стейк, вероятно, может выдержать преодоление звукового барьера. Помимо Феликса, выживали и другие пилоты, катапультировавшиеся на сверхзвуковых скоростях, и даже умудрялись рассказать о своём опыте.

Чтобы преодолеть звуковой барьер, необходимо сбросить стейк примерно с 50 километров. Но этого будет недостаточно для того, чтобы приготовить его.

Поднимемся ещё выше.

Если стейк сбросить с 70-километровой высоты, то он будет двигаться достаточно быстро для того, чтобы его недолго обдувал воздух температурой 175 °C. К сожалению, этот поток горячего воздуха продержится примерно с минуту, и любой, у кого есть хотя бы малейший опыт готовки, сможет сказать — стейк, помещенный в печь, разогретую до 175 °C, не успеет приготовиться.

Если бросать со 100 километров — формально это граница между космосом и атмосферой — картина будет не сильно лучше. Стейк проведёт полторы минуты на скорости больше 2 Махов, и внешняя поверхность, наверняка, будет обожжена, но тепло слишком быстро сменится леденящим воздухом стратосферы, и он не успеет приготовиться.

На сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях вокруг стейка сформируется ударная волна, которая защитит его от всё более и более быстрых потоков воздуха. Точные характеристики этой ударной волны, а значит и механические напряжения на стейке, зависят от того, как именно сырое филе массой 200 грамм падает при подобных скоростях. Я искал в литературе материалы, но не смог найти ничего для пояснения этого случая.

Применительно к моделированию этого процесса, я предположил, что на более низких скоростях нечто вроде турбулентности создает полет с вращением, в то время как на гиперзвуковых скоростях он сжимается до метастабильной сферы. Так или иначе, это не просто взятые с потолка данные. Но если кто-то вдруг поместит стейк в гиперзвуковую аэродинамическую трубу и получит более полные данные — пожалуйста, пришлите мне видео.

Если вы сбросите стейк с 250 километров, он начнёт нагреваться. Высота в 250 километров помещает нас в диапазон околоземной орбиты. Однако стейк, поскольку он сбрасывается, будучи в состоянии покоя, не двигается настолько же быстро, насколько это делает объект, повторно заходящий в атмосферу.

Стейк достигает максимальной скорости в 6 Махов, его внешняя поверхность уже приятно обжарена. Центр стейка, к сожалению, всё ещё сырой. Он должен продолжить падать с гиперзвуковой скоростью и не разлететься на куски.

На больших высотах нагрев становится по-настоящему значительным. Температура ударной волны перед стейком достигает тысяч градусов (Фаренгейта или Цельсия — не важно). Проблема в том, что при таких уровнях нагрева поверхностный слой выгорает полностью, превращая его в углерод. Таким образом, стейк становится обгоревшим.

Обугливание — это обычное последствие бросания мяса в огонь. Проблема с подгоранием мяса на гиперзвуковых скоростях в том, что обгорелый слой структурно не слишком цел, и его сдувает ветром, открывая новый слой, который тоже обгорит. (Если жар достаточно силён, он просто оторвёт поверхностный слой от основной части, приготовив его мгновенно. На это ссылаются в документах по межконтинентальным баллистическим ракетам, называя это явление зоной абляции^[4]).↲Абляция — в космонавтике, ракетостроении и авиации, способ эффективного снижения перегрева конструкционных элементов фюзеляжа, обтекателей или двигателя набегающим потоком или реактивным факелом за счёт отбора теплоты на плавление-испарение или прямую возгонку слоя специального защитного материала. В качестве покрытий применяются различные смолы с тугоплавкими наполнителями, пористые тугоплавкие металлы с легкоплавкими наполнителями, графит.

Даже будучи брошенным с таких высот, стейку всё ещё недостаточно времени, чтобы приготовиться целиком. (Я знаю, о чём некоторые из вас, вероятно, подумали, и ответ: нет — он проводит недостаточно времени в радиационном поясе Ван Аллена^[5],↲Радиационный пояс.↳ чтобы его стерилизовала радиация.)

Мы можем попробовать всё большие и большие высоты, и можем увеличить время выдержки, сбрасывая его под углом, с орбиты.

Но если температура или время горения достаточно высоки, то стейк постепенно распадётся, поскольку внешний слой будет повторно обгорать и отрываться. Если большая часть стейка и доберётся до земли, внутренняя будет всё ещё сырой.

Именно поэтому нам следует посмотреть на Питтсбургские стейки.

Как гласит, вероятно, недостоверная история, металлурги в Питтсбурге готовили стейки, шлёпая их на блестящие металлические поверхности, выдвигаемые из литейной, обжигая до корочки снаружи, но оставляя его сырым внутри. Отсюда, предположительно, и происходит термин Питтсбургская прожарка.

Так что выбрасывайте свой стейк из суборбитальной ракеты, посылайте собирающую команду, чтобы достать его, счищайте с него грязь, отрезайте все неудачно обгоревшие участки и жадно съедайте.

Только остерегайтесь сальмонеллы. И штамма Андромеды^[6].↲«Штамм „Андромеда“» — научно-фантастический роман американского писателя Майкла Крайтона.