Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

В насыщенном водой песке песчинки уже не связаны отдельными, затрудняющими движение жидкими мостиками. Наоборот, вода играет роль смазки, и песок уплотняется, превращаясь в компактную массу. Опытные строители песчаных замков сбрызгивают свои творения водой. Песок на поверхности впитывает воду, и создаются отдельные водяные мостики, удерживающие конструкцию. Если оставить песчаный замок сохнуть, вода испаряется с его внешней поверхности, мостики разрушаются и замок осыпается.

У мокрого песка на пляже силы сцепления больше, чем у чистого песка (кварца), поскольку в его состав входят частички глины и органических соединений, обеспечивающие дополнительные связи между песчинками. Кроме того, на пляже слой песка бывает покрыт соляной коркой, что еще увеличивает силы сцепления. В зоне наката, где волны периодически заливают берег, в песок с водой попадают воздушные пузырьки, и его структура становится более рыхлой. Таким образом, твердость песка существенно меняется по мере того, как вы спускаетесь на пляж по сухому песку, затем идете к воде по аэрированному (с большим количеством пузырьков воздуха) влажному песку, затем по мокрому песку и наконец заходите в море, где под ногами у вас покрытый водой, насыщенный влагой песок.

Предположим, вам налили плохой кофе (вроде того, что часами держат горячим в забегаловках). Почему поверхность кофе выглядит по-разному, когда вы погружаете в стаканчик чайную ложечку, а затем вытаскиваете ее? Без ложки поверхность кофе теряет всякий глянец и выглядит непривлекательно. Еще неприятнее смотреть на такой кофе, когда ложка находится в стакане: на поверхности видны маленькие блестящие кружочки.

ОТВЕТ •Как правило, сразу можно заметить, что кофе плохой: его поверхность покрыта маслянистым слоем, который делает напиток тусклым и неаппетитным. На ложке, которую вы опускаете в стакан, может остаться вещество, которое, растекаясь по поверхности кофе, заставит масло в поверхностном слое собраться в капли. Поскольку поверхность капель искривлена, они становятся маленькими рефлекторами, отражающими свет любого светильника на потолке. Так на поверхности кофе появляется много ярких кружков. Когда ложку вынимают, маслянистый слой восстанавливается и большинство рефлекторов исчезает.

Почему в бокале крепкого алкогольного напитка, вина или не слишком крепкой водки над жидкой поверхностью образуются капли (их называют « слезы» вина ), которые растут и стекают вниз по стенке бокала (рис. 2.27)?

Рис. 2.27 / Задача 2.88.«Слезы» в бокале над поверхностью крепкого вина.

ОТВЕТ •Обычно поверхность воды слегка поднимается по стенкам стакана благодаря тому, что, во-первых, молекулы стекла притягивают молекулы воды (это называется адгезией , или сцеплением поверхностей разнородных тел) и, во-вторых, молекулы воды притягиваются друг к другу (это называется когезией , характеризующей связность воды). Как результат адгезии и когезии уровень воды вблизи стенки повышается и поверхность воды возле стенки искривляется.

Молекулы на поверхности жидкости притягиваются друг к другу и сближаются, благодаря чему поверхность жидкости находится в напряженном состоянии. Следовательно, поверхностное натяжение — характеристика поверхности жидкости. Если в бокал налито вино, жидкая пленка поднимается по его стенке гораздо выше, что связано с разным поверхностным натяжением жидкости в объеме и в поднявшейся пленке. У воды поверхностное натяжение достаточно велико, а у смеси спирта с водой оно меньше. Когда такая смесь начинает подниматься по стенке бокала, спирт быстро испаряется и на стенке остается практически водяная пленка. Поскольку поверхностное натяжение воды больше, чем у смеси спирта с водой, жидкость из объема бокала интенсивно затягивается в слой на его стенке. Слой становится толще, его верхний край подтягивается выше благодаря адгезии между жидкостью и стеклом, так что пленка поднимается выше, чем в стакане с водой.

Высота, на которую поднимается пленка, ограничена силой тяжести. Когда алкоголь испаряется из пленки, поверхностное натяжение стремится собрать оставшуюся воду в капли. Сначала из-за адгезии эти капли, «слезы» вина, продолжают подниматься, но в конце концов они становятся слишком большими, неожиданно отрываются и сбегают вниз по стенкам бокала. «Слезы» вина образуются, только если вино умеренно крепкое: смесь спирта и воды должна быть подобрана так, чтобы обеспечить нужное соотношение поверхностных натяжений поднимающейся жидкой пленки и жидкости в объеме.

Движение жидкости, обусловленное отличием поверхностного натяжения в одной области от поверхностного натяжения в другой, называется эффектом Марангони в честь одного из его исследователей. Этот эффект объясняет, почему иногда капли широко растекаются по твердой поверхности. Наблюдая за такой каплей, мы не видим, что перед ней имеется тонкий слой жидкости, в котором испарение идет быстрее, чем в остальной капле. Так же, как и в случае «слез» вина, если испарение превышает поверхностное натяжение оставшейся жидкости в этом тонком слое, в него натекает новая жидкость из капли, вызывая растекание капли по поверхности.

Обычно поверх крепкого ямайского ликера «Тиа Мария» («Тетушка Мария») наливают несколько миллиметров сливок. Пьют этот ликер через соломинку. Если этот напиток отставить в сторону на несколько минут, на его поверхности начинает происходить интенсивное движение, приводящее к образованию узоров из ячеек или трубочек, напоминающих червячков. С чем это связано?

ОТВЕТ •В одном или нескольких местах спирт диффундирует (медленно проходит) через сливки, уменьшая их поверхностное натяжение, обусловленное взаимным притяжением молекул на поверхности. Жидкая смесь спирта со сливками (у нее поверхностное натяжение небольшое) растекается по поверхности и попадает в те места, где остались сливки без примеси спирта (там поверхностное натяжение больше). В места, откуда эта смесь отошла, поднимается больше спирта и так далее. Сложно объяснить, почему сливки на поверхности ликера (точнее, их сопротивление движению) запускают процесс циркуляции жидкости, движущейся вверх и затем вниз, но он может привести к образованию на поверхности или одиночных ячеек, если слой сливок толстый, или напоминающих червячков или трубочки, когда слой сливок тоньше.