Марк Медовник - Жидкости

Когда вы пытаетесь вылить жидкость из какой-нибудь емкости, вы должны заменить ее чем-то, иначе в емкости образуется вакуум, который не позволит выливаться оставшейся жидкости. Вы наверняка замечали это, если пытались когда-нибудь пить из бутылки, закрыв ртом всё горлышко; жидкость вытекает отдельными порциями, бульками, по мере того как воздух с трудом пробирается внутрь бутылки, чтобы заменить выпиваемую вами жидкость. Каждый бульк соответствует пузырьку, которому удается прорваться в бутылку. Но он же не дает жидкости вытекать. Они делают это по очереди — жидкость наружу, воздух внутрь, жидкость наружу, воздух внутрь, бульк, бульк, бульк. Если вы оставите горлышко бутылки частично открытым, то сможете пить непрерывно, без бульков, поскольку воздух будет проходить в бутылку сплошным потоком, а не порциями. Вот почему легче пить из сосудов с широкими горлышками, таких как чашки и стаканы.

Но в первых авторучках не было механизма, который позволял бы воздуху проникать в резервуар с чернилами, и добиться их равномерного вытекания на бумагу было трудно. Очевидным решением проблемы казалось отверстие в верхней части резервуара, но тогда при переворачивании ручки чернила вытекали бы куда попало. Эта проблема ставила всех в тупик до 1884 г., когда американский изобретатель по имени Льюис Уотермен довел до совершенства конструкцию металлического пера, которая позволяла чернилам стекать по бороздке за счет совместного действия силы тяжести и капиллярного эффекта, а входящий воздух просачивался им навстречу в резервуар. Его конструкция привела к началу золотого века перьевых авторучек — мобильных телефонов своего времени, совершивших переворот в человеческом общении. В результате авторучка стала очень востребованным предметом. Обладание ею свидетельствовало о том, что вы человек важный — вам нужно иметь возможность писать где угодно, на чем угодно и когда угодно. Точно так же, как первые мобильные телефоны, или первые ноутбуки, или любые другие гаджеты более позднего времени, авторучки считались признаком крутости.

Но при этом, как обычно и бывает, возникла другая проблема. Галловые чернила часто имеют высокую кислотность, поэтому кончики новых металлических перьев быстро корродировали. Кроме того, в таких чернилах часто содержатся взвешенные твердые частицы, которые видны на бумаге, если они прошли через перо, или скапливаются на кончике пера и забивают его, не пропуская чернила. Люди нередко приходили в ярость, не понимая, почему ручка не пишет, и начинали трясти ее, пытаясь стряхнуть невидимое препятствие; в процессе капли разлетались по помещению или попадали на одежду ничего не подозревающих прохожих. Возможно, авторучка действительно была доведена до совершенства, но не чернила. Настала пора искать им замену.

Это, однако, оказалось сложной задачей. Необходимо было одновременно рассматривать множество факторов: конкретную химию чернил и их способность течь внутри ручки, но не вызывать коррозии, взаимодействие с бумагой, способность оставлять прочные следы, но при этом быстро сохнуть. Используя инженерный жаргон, можно сказать, что это была задача многофакторной оптимизации. Строго говоря, и решений у нее существовало множество. Каждый производитель использовал в конструкции свое решение и обязательно указывал, что чернила тоже нужно использовать специальные, предназначенные для его ручек. Компания Parker Pen, например, в порядке борьбы с кляксами разработала в 1928 г. специальные чернила Quink. В них использовались синтетические красители в сочетании со спиртом, что гарантировало хорошую текучесть чернил внутри ручки и быстрое высыхание при контакте с бумагой. Оказалось, к несчастью, что они агрессивно ведут себя по отношению к некоторым пластмассам, которые уже начали использовать в производстве авторучек, например целлулоиду. Кроме того, они не были водостойкими и при увлажнении бумаги снова начинали растекаться. Часто при этом разделялись красители, использованные в их производстве (черные, например, — на желтый и синий цвета). В итоге написанный текст становился нечитаемым.

Но, несмотря на все проблемы, большинство производителей было убеждено, что будущее за чернильными авторучками и для создания надежного портативного писчего инструмента достаточно оптимизировать состав чернил. Однако венгерский изобретатель Ласло Биро думал совершенно иначе. Он перевернул задачу оптимизации с ног на голову. Сам он, прежде чем стать изобретателем, работал журналистом и еще тогда заметил, что при печати газет используются великолепные чернила: они очень быстро сохнут, почти не размазываются и не образуют клякс. Но они слишком вязкие для перьевой авторучки; они не текут и сразу намертво забили бы перо. Так что изобретатель подумал: почему бы, вместо того чтобы менять чернила, не сконструировать новую ручку?

Газетные статьи Ласло Биро печатались на машине, которая представляет собой набор цилиндрических валиков, накатывающих чернила на непрерывный длинный лист бумаги. Чтобы успеть подготовить миллионы экземпляров газет для ночной доставки по всей стране, их необходимо печатать очень быстро. Страницы проходят через машину со скоростью несколько тысяч в час, так что очень важно было, чтобы чернила сохли практически мгновенно: иначе всё напечатанное размажется, когда отдельные страницы будут собирать в газеты. Для этого и были изобретены чернила, которыми так восхищался Ласло. Когда он придумывал, как усовершенствовать ручку, он размышлял о том, как воспроизвести печатный процесс в гораздо меньшем масштабе. Для этого ему потребовался бы ролик, который мог непрерывно смазывать чернилами кончик ручки; со временем ему в голову пришла идея использовать крохотный шарик. Но как доставить чернила к нему, чтобы он мог раскатать их по бумаге? Изобретатель был уверен, что чернила для печатных машин слишком густы для того, чтобы сила тяжести доставила их из резервуара к шарику. Но ему на помощь пришло необычное физическое явление — неньютоновская жидкость.

Есть взаимосвязь между скоростью потока жидкости и приложенной к ней силой — то, что мы называем вязкостью. Густые жидкости, такие как мед, имеют высокую вязкость и текут медленно, а текучие, например вода, — низкую и текут быстро под действием той же силы. Вязкость большинства жидкостей не изменится, если вы увеличите приложенную к ним силу. Такие жидкости называют ньютоновскими.

Но существуют и другие, странные; они не играют по правилам ньютоновского потока. Например, если смешать кукурузный крахмал с небольшим количеством холодной воды, образуется состав, который будет текучим, если помешивать его медленно. Но если мешать его быстро, то он станет очень вязким — настолько, что будет вести себя как твердое тело. В таком состоянии по его поверхности можно ударить кулаком, и он не расплещется, а будет сопротивляться удару. Это мы и называем неньютоновским поведением: такая жидкость не имеет определенной вязкости, определяющей ее текучесть.