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

У ослабления поверхностного натяжения есть свои преимущества. Но сила притяжения между отдельными молекулами воды очень велика. И чем меньше объем воды, с которым вам приходится иметь дело, тем значимее этот фактор. По-настоящему полезным поверхностное натяжение оказывается в водопроводных микросистемах. На этом уровне мы вполне можем обойтись без насосов и сифонов, а также огромных затрат энергии на создание обходных путей для воды. От нас требуется сделать такую систему настолько маленькой, чтобы можно было пренебречь влиянием гравитации и возложить всю тяжелую работу на плечи поверхностного натяжения. Уборка помещений – довольно скучное и утомительное занятие, но без нее наш мир выглядел бы совершенно иначе.

Я, наверное, неряшливая хозяйка, довольно умелая, но в гораздо большей степени интересующаяся самим процессом приготовления пищи, чем беспорядком, который оставляю после себя. Это заставляет меня немного нервничать, когда приходится хозяйничать на кухне в чужом доме. Несколько лет назад, находясь в Польше, я взялась приготовить яблочный пирог для международной группы волонтеров, с которыми тогда работала в одном из учебных заведений [32]. Начало оказалось несколько обескураживающим. Высокая и свирепая на вид местная повариха буркнула что-то невнятное в ответ на мой вопрос, нельзя ли воспользоваться их кухней. Мне потребовалось несколько секунд напряженных раздумий в попытке понять, что бы это значило, пока я не сообразила, что она сказала «да». Мой уровень владения польским оставлял желать лучшего, и я не поняла многих инструкций, которые затем последовали. Однако главное я уяснила: кухню после завершения работы нужно оставить в идеальном порядке. Именно в идеальном. Ничто не должно быть пролито на плиту, стол или пол. Все поверхности должны буквально сверкать чистотой. Поэтому позже, когда повариха ушла домой, а я собрала все ингредиенты, необходимые для приготовления яблочного пирога, первое, что я сделала, это опрокинула на пол только что открытый большой пакет молока.

«Хоть бы это молоко куда-то исчезло, – подумала я, – и суровая повариха никогда не узнала о его существовании». Убрать остатки пролитого молока не так-то легко, особенно если его целый литр, заливший полкухни. Между тем молочная лужа продолжала увеличиваться в размерах. К счастью, есть средство, позволяющее достаточно быстро собрать пролитую жидкость, – обычное кухонное полотенце.

Как только полотенце коснулось молока, на молоко начала действовать новая совокупность сил. Полотенца обычно изготавливают из хлопка, а хлопок притягивает воду. На микроуровне молекулы воды притягиваются к волокнам хлопка и медленно покрывают поверхность каждого такого волокна, продвигаясь по нему вверх. А молекулы воды, как известно, так сильно притягиваются друг к другу, что первая из них, прикоснувшаяся к полотенцу, не может взбираться вверх самостоятельно. Она должна обязательно прихватить с собой следующую молекулу воды. А та, в свою очередь, – следующую. Таким образом, молекулы воды движутся вверх по волокнам хлопка, вытаскивая с собой все остальное, что есть в молоке. Силы, притягивающие воду к волокнам полотенца, настолько велики, что силой земного притяжения, ничтожной по сравнению с ними, можно пренебречь. Пролитое молоко быстро собирается с помощью обычного полотенца.

Но это еще далеко не все, на что способно полотенце. Оно обладает еще одним поистине бесценным качеством – ворсистостью. Если бы все волокна полотенца оказались покрыты тонким слоем воды, оно вообще не смогло бы ее собирать. Но ворсистость создает в полотенце множество воздушных карманов и узких каналов. Как только вода проникает в один из таких каналов, она подтягивается вверх со всех сторон, а вместе с ней подтягивается вверх и вода в середине канала. Чем у же канал, тем больше поверхности для каждой капельки воды в середине. Поверхность ворсистого полотенца огромная, а зазоры между ворсинками узкие, поэтому они могут вбирать в себя очень много воды.

Пока я наблюдала за тем, как лужа молока впитывается в полотенце, молекулы воды собирались вместе, толкаясь друг с другом внутри ворса. Те, которые располагались внизу, продвигались вместе с остальной толпой, сцепляясь с соседними молекулами воды. Те, которые соприкасались с хлопком, сцеплялись и с хлопком, и с молекулами воды, находящимися по другую сторону, удерживая свою позицию. Молекулы, соприкасающиеся с сухим полотенцем, сцеплялись с этим сухим хлопком и притягивали к себе другие молекулы воды, находившиеся позади, заполняя таким образом зазоры в структуре. Пребывающие на поверхности тащили за собой молекулы воды, находившиеся непосредственно под ними, стараясь окружить себя как можно большим числом других молекул воды, и в процессе подтягивая воду вверх. Это явление называется капиллярным эффектом. Гравитация тянет вниз все молоко, заполняющее микроканалы в ворсе. Но она не в состоянии конкурировать с силами, тянущими молоко вверх, то есть с силами наверху, где молоко соприкасается с сухим хлопком внутри миллионов крошечных воздушных карманов. Когда я свернула полотенце и убрала его, отдельные его участки буквально до краев пропитались молоком, заполнившим воздушные карманы.

Молекулы воды продолжат взбираться наверх по зазорам, подтягивая за собой другие молекулы воды до тех пор, пока сумма крошечных сил, действующих со стороны множества воздушных карманов, в конечном счете не уравновесится силой притяжения нашей планеты. Именно поэтому, когда вы опустите конец полотенца в воду, жидкость сначала быстро распространится на несколько сантиметров вверх, а затем остановится. В этот момент вес воды в точности сбалансируется силой поверхностного натяжения. Чем у же каналы в ворсе, тем б о льшая поверхность на полотенце обеспечивает суммарную силу поверхностного натяжения и тем выше будет граница поднятия воды. Масштаб в данном случае имеет решающее значение: если ворс будет той же формы, но в сто раз длиннее, то такое полотенце вообще не станет впитывать воду. Но если ворс сделать гуще, то иерархия сил изменится и вода в таком полотенце поднимется на б о льшую высоту.

Самое полезное качество полотенца состоит в том, что после просушки из его воздушных карманов испаряется вся вода: она просто растворяется в воздухе. Более простой и удобный способ решения проблемы трудно представить: полотенце вбирает жидкость и удерживает ее до тех пор, пока она не улетучится сама собой [33].

Расправившись таким образом с лужей пролитого молока, я испекла яблочный пирог и оставила кухню практически в безукоризненном состоянии. Правда, оставалось решить последнюю проблему, которая не имела никакого отношения к теории поверхностного натяжения. Взбитые сливки, поданные мной вместе с яблочным пирогом, имели не очень приятный кисловатый вкус, о чем свидетельствовали выражения лиц моих гостей. Одним словом, век живи – век учись. Я постараюсь никогда больше не совершать такую ошибку.