Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Бутылка, которую брали приступом лазоревки, содержала целый комплекс питательных веществ. Б о льшую часть молока (почти 90 %) составляет вода, но в нем содержатся также сахара (лактоза, которую многие люди не переносят), белковые молекулы, сгруппированные в виде микроскопических круглых клеток, и более крупные шарики жира. Все эти составляющие перемешаны, но если дать молоку отстояться, возникает определенная структура. Шарики жира в молоке крошечные – от 1 до 10 микрон в диаметре, а это означает, что в миллиметровом слое такого жира по вертикали помещается от 100 до 1000 шариков. Они обладают меньшей плотностью, чем окружающая их вода, то есть в одном и том же объеме пространства содержится меньшее количество «материала». Пока шарики перемешаны со всеми остальными компонентами молока, нет особой разницы, в каком направлении они движутся. Гравитация тянет воду, окружающую эти шарики жира, вниз чуть сильнее, чем сами шарики, и жир постепенно (очень медленно) поднимается. Это означает, что его плавучесть невелика.

Возникает вопрос: как быстро поднимется жир? Важную роль в этом процессе играет вязкость. Я уже говорила, что вязкость определяется как внутреннее трение текучей среды. Иными словами, это показатель силы трения, возникающей между разными слоями текучей среды. Представьте, что вы помешиваете ложечкой чай в чашке. В ходе круговых движений ложечки жидкость вокруг нее также приходит в движение, перемещаясь рядом с другими, соседними слоями жидкости. Вода – не очень-то вязкая жидкость, и разные слои скользят друг мимо друга, практически не встречая сопротивления. А теперь вообразите, что помешиваете ложечкой густой сироп в чашке. Каждая молекула сахара крепко цепляется за другие его молекулы, находящиеся поблизости. Чтобы перемещать эти молекулы мимо друг друга, вы должны разрушать силы сцепления между ними. Помешивать ложечкой густой сироп гораздо труднее, чем обычный чай, и мы говорим, что он вязкий.

Шарики жира в молоке выталкиваются вверх по причине их плавучести. Но чтобы действительно двигаться вверх, им необходимо расталкивать в стороны окружающую их жидкость. В процессе выталкивания шариков жира окружающие их слои жидкости должны скользить друг мимо друга. Именно поэтому так важна вязкость жидкости. Чем она более вязкая, тем большее сопротивление приходится преодолевать шарикам жира в ходе подъема.

Этот процесс происходит прямо под лапками лазоревки. Каждый шарик жира выталкивается наверх по причине своей плавучести, но испытывает на себе действие силы лобового сопротивления, поскольку окружающая его жидкость должна «расступиться», чтобы уступить ему дорогу. К тому же одни и те же силы, воздействующие на одну и ту же разновидность шариков жира, приходят к разным компромиссам для разных размеров шарика. Сила лобового сопротивления оказывает большее воздействие на шарик меньшего размера, потому что площадь поверхности шарика велика по сравнению с его массой. У такого шарика весьма небольшая плавучесть, которая помогала бы ему расталкивать в стороны достаточное количество окружающего его «материала» в процессе всплытия. Поэтому, несмотря на то что маленький шарик жира находится в той же самой жидкости, он поднимается медленнее, чем шарик крупного размера. В микромире вязкость гораздо важнее, чем гравитация. Частицы движутся медленно. Размер имеет огромное значение.

В молоке более крупные шарики жира поднимаются быстрее, сталкиваются с некоторыми шариками поменьше, замедляют их и склеиваются с ними, образуя кластеры. На эти кластеры сила лобового сопротивления воздействует слабее, поскольку их размеры больше, чем отдельных шариков, а потому они поднимаются быстрее. Лазоревке, усевшейся на бутылку с молоком, остается лишь набраться терпения – и завтрак прибудет прямо к ее ногам.

А затем наступил черед гомогенизации [25]. Производители молока выяснили, что, пропустив его под очень высоким давлением сквозь очень тонкие трубки, можно раздробить шарики жира и уменьшить их диаметр примерно в пять раз. В результате масса каждого шарика снижается в 125 раз. Теперь слабая подъемная сила, воздействующая на каждый шарик и обеспечиваемая его плавучестью, полностью подавляется силами внутреннего трения текучей среды, то есть вязкостью. Гомогенизированные шарики жира поднимаются настолько медленно, что этот процесс можно вообще не принимать в расчет [26]. Простая операция по уменьшению размера шариков жира переносит сражение на другую территорию, где вязкость побеждает вчистую. Сливки уже не появляются на поверхности молока. Лазоревкам пришлось искать другие источники пропитания.

Таким образом, силы остаются теми же, но их иерархия иная [27]. Вязкостью обладают и жидкости, и газы: хотя молекулы газа не сцепляются друг с другом, как это происходит в жидкостях, они интенсивно сталкиваются, приводя к тому же эффекту внутреннего трения текучей среды, то есть вязкости. Именно поэтому насекомое и железное ядро не падают в воздухе с одинаковой скоростью (если, конечно, вы не поместите их в вакуум). Вязкость воздуха играет огромную роль для насекомого и практически никакой роли для железного ядра. В вакууме гравитация – единственная сила, которая важна в обоих случаях. А крошечное насекомое, пытающееся лететь в воздухе, использует те же приемы, что и мы для плавания в воде. Вязкость доминирует в окружении насекомых точно так же, как в отношении нас, когда мы плаваем в бассейне. Мельчайшие насекомые не столько летают, сколько плавают в воздухе.

Гомогенизированное молоко демонстрирует определенный принцип, но его применение выходит далеко за пределы нашего дома. Когда вы чихнете, попытайтесь оценить размер капелек, разлетающихся из вашего рта по комнате. То же явление, которое не позволяет взойти сливкам, способствует распространению эпидемических заболеваний.

С давних времен туберкулез считался бичом человечества. Самое первое свидетельство о нем найдено в древних египетских мумиях (примерно 2400 год до н. э.). Гиппократу он был известен как «фтизис» (phthisis) (приблизительно 240 год до н. э.), а европейцы в Средние века знали его под названием «проклятие королей». Когда в результате промышленной революции многие начали перебираться из деревень в города, в 40-е годы XIX века «чахотка», болезнь городской бедноты, стала причиной четверти всех смертей в Англии и Уэльсе. Возбудитель болезни, крошечная бактерия под названием Mycobacterium tuberculosis, была обнаружена лишь в 1882 году. Чарльз Диккенс красочно описал чахоточный кашель, но не мог написать об одном из самых важных аспектов этого тяжелого недуга, поскольку не мог его увидеть. Туберкулез – болезнь, передающаяся воздушно-капельным путем. Каждый приступ кашля больного туберкулезом приводит к извержению из его легких тысяч мельчайших капелек, переносчиков смертельно опасного заболевания. Некоторые из них будут содержать микроскопические палочки туберкулезных бактерий, длина каждой из которых составляет лишь три тысячных миллиметра. Сами по себе капельки жидкости начинают свой полет с достаточно больших размеров – возможно, порядка десятых долей миллиметра. Эти капельки притягиваются вниз гравитацией и, упав на пол, не распространяют инфекцию дальше. Но падение не происходит быстро, поскольку вязкость присуща не только жидкостям. Воздух тоже ею обладает, и когда капельки движутся в воздухе, им приходится его расталкивать на своем пути. Устремляясь вниз, капельки наталкиваются на молекулы воздуха, которые замедляют скорость их падения. Точно так же как сливки медленно поднимаются к горлышку бутылки, преодолевая вязкость молока, эти капельки мокр о ты медленно опускаются, преодолевая вязкость воздуха, и падают на пол.