Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Крепкий кофе по-восточному — смесь воды, сахара и большого количества кофе мелкого помола. Его заваривают в турке , а затем разливают по маленьким чашечкам вместе с кофейной гущей. Пока кофе остывает настолько, что его можно пить, гуща постепенно оседает на дно чашки. Любитель восточного кофе маленькими глоточками выпивает всю жидкость над слоем гущи и отставляет чашку. Если эту смесь гущи с водой оставить на несколько часов, вода постепенно испаряется, а гуща образует неожиданные узоры, состоящие из темных и светлых линий по краю жидкости. Эти линии, будто нарисованные художником, перпендикулярны стенке чашки, достигают в длину нескольких миллиметров и располагаются на равных расстояниях друг от друга. Как такие узоры образуются?

ОТВЕТ •Когда лужица кофе надолго остается на столе, жидкость испаряется, а размер лужицы, теряющей воду, уменьшается. Однако движение ее внешней границы (ее называют линия контакта — место, где соприкасаются воздух, жидкость и твердое тело) может быть затруднено каким-нибудь дефектом твердой поверхности, например шероховатостью или локальным отличием химических свойств. Линия контакта закрепляется в дефектном месте и не может с него сдвинуться.

В тонком слое на краю лужицы испарение происходит достаточно быстро, оставляя за собой осадок из растворенного в жидкости вещества. Поскольку линия контакта закреплена, кофе из середины лужицы течет в направлении ее края, чтобы заместить испарившуюся воду. Так больше и больше растворенного вещества откладывается по краю лужицы, формируя темное кольцо, которое со временем становится заметным. Когда образуется кольцо, линия контакта закрепляется еще жестче. Однако по мере того, как количество жидкости уменьшается, она может оторваться и неожиданно сместиться в направлении центра лужицы, а затем закрепиться на новом дефекте, образовав новое кольцо меньшего радиуса. Сходным образом формируется белое соляное кольцо вокруг испаряющейся лужи соленой воды.

Если у чашки наклонная стенка и вблизи нее остался мелкий слой кофе по-восточному, движение края испаряющейся области будет определяться аналогичным механизмом. Кроме того, уходящая от края чашки жидкость образует ряд регулярных ячеек: в одних темная мелкая кофейная гуща переносится к краю чашки, а по другим от края отступает жидкость. Направленный к стенке поток уносит растворенные в воде вещества к краю чашки, а поток, направленный внутрь, вымывает их оттуда. В результате образуется регулярная структура из попеременно темных и светлых (без гущи) линий вокруг стенки чашки. Даже если кофе хорошенько размешать, ячейки вскоре восстановятся. Если варить кофе без сахара, ячейки не образуются.

Появление ячеек объясняется просто. Когда вода испаряется из мелкого слоя вблизи стенки чашки, натекающая вместо нее жидкость приносит с собой к краю чашки гущу. Гуща формирует одну из черных линий выстраиваемой структуры. Когда вновь поступившая жидкость достигает края чашки и начинает испаряться, гущи в ней становится больше и ее плотность увеличивается. Эта более плотная жидкость тонет, соскальзывая вниз вдоль искривленной стенки чашки. Направленный внутрь чашки поток уносит гущу от края, расчищая узкую линию — одну из светлых линий будущей структуры. Такой узор получается, только если наклон стенки чашки и не слишком мал, и не слишком велик. Не подойдет ни вертикальная стенка, вблизи которой вообще нет мелкого слоя, ни почти горизонтальная, около которой образуется слишком широкий мелкий слой.

Почему, если подышать на зеркало или на стекла очков, их поверхности запотевают? Почему запотевает зеркало в заполненной паром ванной комнате?

ОТВЕТ •Когда теплый влажный воздух, который мы выдыхаем, попадает на более холодную поверхность, например на зеркало, на нем начинает конденсироваться влага. Скорее всего, на поверхности зеркала есть пыль и отпечатки пальцев. Поскольку взаимное притяжение молекул воды больше, чем их притяжение к молекулам, из которых состоят загрязнения, молекулы воды стремятся собраться в капельки на чистой поверхности между загрязненными участками. Следовательно, вода не покрывает поверхность однородным слоем, а образует капельки.

Сначала это крошечные капельки, но они подрастают и со временем начинается процесс коалесценции (слияния капелек), который идет через поверхностную диффузию (миграцию) молекул, но природа которого еще до конца непонятна. Поскольку расстояние между слившимися большими каплями увеличивается, между ними начинаются формироваться новые мелкие капельки. При дыхании могут последовательно образоваться три структуры из капель разных размеров: только малюсенькие капельки, капли побольше и наконец большие капли, между которыми находятся маленькие капельки. Общее название всех этих структур — фигуры дыхания .

Когда на зеркале образуются фигуры дыхания, изображение становится нечетким, и, поскольку капельки рассеивают белый комнатный свет, кажется, что зеркало покрыто каким-то белесым налетом. Если провести по поверхности зеркала пальцем, а потом снова подышать на него, в тех местах, где был палец, капли могут и не образоваться: кожный жир, попавший на зеркало с вашего пальца, может препятствовать конденсации .

Фигуры дыхания бывают опасны, когда образуются на стеклах очков или на ветровом стекле машины и ухудшают обзор. Например, при езде на автомобиле дорогу надо видеть отчетливо. Если же вы видите лишь смутные очертания едущих впереди машин, это может закончиться весьма печально. Некоторые ветровые стекла пользуются дурной славой: на них хорошо удерживаются дождевые капли. А другие ветровые стекла, напротив, быстро сбрасывают воду. Некоторые водители используют домашние или патентованные средства — покрывают ими ветровое стекло, чтобы вода его смачивала, а капли не образовывались.

Сбрызнув водой листья лотоса, вы увидите, что капельки воды тут же превращаются в похожие на бусинки шарики, которые скатываются с листьев. По пути они захватывают грязь и пылинки, очищая лист. Говорят, что лист самоочищается. Вода сворачивается в капельки-бусинки и на других поверхностях, например на некоторых растениях, имеющих на поверхности восковой слой. Однако на листьях лотоса процесс образования капель иной. Что же приводит к образованию капель на листьях лотоса?

ОТВЕТ •Способность капель воды растекаться по твердой поверхности обычно называют смачиваемостью поверхности. Присмотревшись к капле, можно увидеть, что по периметру она соприкасается с плоской поверхностью под некоторым углом. Этот угол очень мал, если капля легко смачивает поверхность и, растекаясь, уплощается, становясь похожей на блин. Если капля плохо смачивает поверхность, она имеет выпуклую форму, а угол соприкосновения с плоской поверхностью больше. На листьях лотоса форма капелек близка к сферической — они вообще не смачиваются.