Текст книги "Изучаем науку с помощью бумаги"

Лоренс Б. Уайт
Изучаем науку с помощью бумаги

ВВЕДЕНИЕ

Это начало научного сафари! Слово «сафари» означает «путешествие в дикие джунгли Африки» или «охота». Но чтобы поучаствовать в сафари, совсем не обязательно отправляться в Африку. Сам термин «сафари» произошел от арабского слова «сафара», значащего просто поездку или поход на охоту. Именно это мы и предлагаем вам в нашей книге – отправиться в настоящую научную экспедицию и начать охоту за знаниями и их использованием.

Страницы книги будут вашим надежным проводником в этом сафари, листочки бумаги превратятся в мишени, ну а трофеями станут удивительные факты, которые вы узнаете, и удивительные вещи, которые научитесь делать.

Мир полон компьютеров, космических открытий и электронных чудес, и вам может показаться, что лист бумаги слишком прост и неинтересен, чтобы превратить его в мишень научного сафари… Как же вы ошибаетесь! Научные приборы, как бы сложны они ни были, основаны на очень простых идеях. Могучая атомная энергия, дающая электричество целым городам, – результат изучения атомов – частичек материи, которые так малы, что мы не можем увидеть их невооруженным глазом. Ракеты для полетов к другим планетам слишком сложны для того, чтобы построить их у себя дома, но зато вы можете понять, как они работают, надув воздушный шарик и сразу же отпустив его, не завязывая. Существует множество научных принципов, которые можно изучить на простых примерах, а самый верный способ понять их – превратиться в охотника, выбрать один из принципов и как следует исследовать его. И тогда каждый из принципов окажется таким простым… прямо как лист бумаги!

Глава 1
ЧТО У ВАС НЕ ПОЛУЧИТСЯ

Эта книга – о вещах, которые вы можете сделать из бумаги. Но начнем мы, просто из интереса, с того, чего из бумаги и с бумагой сделать нельзя. Ниже вы найдете неплохой способ изучения невозможного.

Разорвите лист бумаги (как показано на рисунке) натрое. Каждая часть должна быть примерно по 7,5 см в ширину. Рвите не до конца, так, чтобы между частями оставалась маленькая полосочка бумаги. А теперь возьмите лист за концы и попробуйте разорвать его так, чтобы средняя часть упала на пол или стол, а у вас в каждой руке осталось бы по кусочку бумаги.

Очень просто? Но вы убедитесь, что бумага, сколько бы вы ни пытались, всегда будет рваться только на две части, а на три – никогда! Независимо от того, насколько аккуратно вы будете это делать, один из кусочков всегда оторвется первым. Разорвать бумагу одновременно на три части можно, но это такая случайность, что я уверен – у вас никогда не получится!

Рис. 1. Только надвое

Требуется: лист бумаги около 10^22,5 см.

Почему? Потому что для того, чтобы оба кусочка оторвались от среднего одновременно, необходимо сочетание следующих условий.

1. Оба надрыва должны быть абсолютно одной длины, с одинаковыми «перемычками» оставленной бумаги.

2. Плотность листа должна быть совершенно однородной. Если одна из оставленных «перемычек» окажется толще или «крепче», чем другая, бумага разорвется по–разному.

3. Вы должны тянуть за концы одновременно и с абсолютно одинаковой силой.

4. Оба надрыва должны быть сделаны с одной и той же скоростью. Если один из них «обгонит» второй, даже на долю миллиметра, вас постигнет неудача.

Теперь вы понимаете, почему выполнить эту задачу даже один раз сложно? Должно совпасть множество условий. Даже если однажды вы и добьетесь этого, вряд ли получится повторить опыт снова.

Итак, вы открыли одну вещь, которую не можете сделать, и теперь вам, наверное, захочется испытать себя еще раз? Давайте начнем с трех самых простых опытов.

• Сколько раз подряд вы сгибали пополам лист бумаги? Возьмите лист бумаги любого размера и сложите его пополам. Затем еще раз пополам. Продолжайте это занятие. Вы обнаружите, что невозможно согнуть один лист бумаги пополам десять раз! Попробуйте поэкспериментировать с листами разного размера.

• Отрежьте полоску газеты около 5 см шириной и 50 см длиной. Склейте ее концы или соедините клейкой лентой, чтобы получилось кольцо. Проведите карандашом линию по середине полоски и разрежьте ее ножницами. У вас в руках окажется два кольца. А теперь задача посложнее: сделайте другую полоску, как и первую, только перед тем, как склеивать, поверните один из ее концов на пол–оборота. Попытайтесь разрезать скрученное кольцо надвое. Ну как, получилось?

• Возьмите кусочек бумажного полотенца. Разорвите его сначала вдоль, а затем поперек. Вы обнаружите, что в одном случае вам легко это сделать по прямой, а в другом линия разрыва получается неровной, зигзагами. Оказывается, нельзя разорвать бумажное полотенце по прямой в обоих направлениях.

А почему это невозможно? Если действительно хотите это узнать, тогда вы настоящий охотник–исследователь и обязательно найдете нужные следы, когда отправитесь в сафари по страницам этой книги.

Глава 2
ПРОИЗВОДСТВО БУМАГИ

Бумага – родственник растений и деревьев, хотя и совсем не похожа на них. Превращение растений в бумагу кажется чудесным волшебным фокусом только тому, кто ни разу не потратил времени на то, чтобы как следует изучить самый обыкновенный бумажный лист. Эта глава поможет вам понять, как это превращение происходит, – и вы сможете своими руками сделать кусочек настоящей бумаги!

Если вы скажете, что бумага – это то, «на чем можно писать», будете правы лишь отчасти. В древние времена люди выцарапывали слова и рисунки на кусочках дерева и камнях; они писали на листьях, звериных шкурах, древесной коре. Но вы же не назовете это бумагой?

Египтяне склеивали сухие полоски из папируса и использовали их для письма. Сгибать такие листы было трудно, поэтому они скатывали их в свитки. Но можно ли назвать папирусные свитки бумагой?

Если в поисках определения, что же такое, вы заглянете в словарь, то найдете там приблизительно следующее: «Тонкий, гибкий листовой материал, сделанный из тряпья, целлюлозы и т. д. и используемый для письма или печати, а также обертывания и т. д.». Но то, на чем писал человек за всю свою историю, не всегда было гибким, или тонким, или сделанным из тряпья. Значит, бумага – какой–то особенный, специальный материал.

Впервые секрет производства бумаги раскрыли в Древнем Китае. Никто не знает имени человека, сделавшего первый бумажный лист, но известно время – около 105 года н. э., то есть приблизительно 1900 лет назад. Что же он (или, может быть, она) открыл? Он догадался, что из некоторых растений или ткани можно получить тонкие волокна, вымочить их в воде, разложить на кусочке материи, высушить на солнце и получить гибкий лист необыкновенного материала, на котором можно писать. Вы удивитесь, если узнаете, что листы бумаги, на которых напечатана эта книга, сделаны примерно так же!

Конечно, производство бумаги очень изменилось с тех пор, как наш китайский изобретатель получил первый грубый лист, так что бумага в вашей книге намного лучше. Но его главная идея: вымачивание и высушивание растительных волокон – основные этапы и в современном производстве бумаги, которое за последние 1900 лет превратилось в целую науку. Раньше волокна хлопковой или льняной ткани считались лучшим материалом для изготовления бумаги. Однако она становилась незаменимой, люди находили ей все большее и большее применение, спрос на нее возрастал, и вскоре сырья стало не хватать. Нужно было искать новые материалы для производства.

В XVIII веке француз по имени Рене Антуан де Реомюр внимательно исследовал колонию шершней. Оказывается, их круглые, размером с футбольный мяч, гнезда, висящие на деревьях, – бумажные! Де Реомюр обнаружил, что шершни делают бумагу для своего дома, пережевывая частички дерева и смешивая их со слюной. И предположил, что человек тоже может делать бумагу из дерева.

Целых 100 лет на открытие Реомюра никто не обращал внимания. Затем, в XIX веке, два немца, Фредерик Келлер и Генри Вольтер, вспомнили его исследования и экспериментальным путем обнаружили, как превратить древесину в тонкие волокна, необходимые для производства бумаги.

С тех пор человек открыл множество способов физического размалывания и химического получения древесных волокон. Но в любом случае они превращаются в бумагу именно в соответствии с древним китайским методом.

Самый лучший способ понять этот процесс – попытаться самому проделать его. Когда вы поставите опыты, о которых говорится ниже, получите результаты, похожие на то, что увидел китайский изобретатель 1900 лет назад, а также организуете свой «бумажный завод».

В ПОИСКАХ ВОЛОКОН

Иногда бумагу метко называют «паутиной слов». На самом же деле бумага – это коврик из крошечных волокон растительного вещества, которое называется целлюлоза. В растениях эти волокна соединены между собой другим веществом – лигнином. Если растолочь их и подвергнуть химической обработке, то тонкие волокна целлюлозы разделятся. А потом, переплетаясь, они образуют «паутину», и завершающее давление сгладит волокна, превращая их в тонкий гладкий лист.

Рис. 2. Ищем волокна

Требуется: лист газетной бумаги; лупа.

Разорвите газетный лист и внимательно рассмотрите зубчатый край разрыва. Вы увидите множество мельчайших целлюлозных волокон.

Рис. 3. Насколько малы волокна

Требуется: бумажное полотенце; прозрачная клейкая лента.

Сколько волокон нужно, чтобы получить лист бумаги? Конечно, это зависит от его величины, вы после проведенного выше опыта, наверное, решите, что понадобится немыслимое их количество. На самом деле 20 крошечных волоконец, помещенных кончик к кончику, составят около 2,5 см. Чтобы занять те же 2,5 см, размещая их рядом друг с другом, потребуется около 200 волокон. И наконец, самое интересное: взгляните на страницу этой книги… в ней около шести миллионов отдельных волоконец!

Приложите клейкую ленту к бумажному полотенцу или салфетке. Слегка прижмите ее к бумаге. Теперь аккуратно отделите ленту. Рассмотрите ее на свет, и вы увидите приставшие к ней волокна. Хотя бумага выглядит одним целым листом, этот опыт доказывает, что она состоит из множества отдельных волокон. Вы даже можете осторожно снять несколько штук с ее поверхности и увидеть, как они тонки и коротки.

Поэкспериментировав с другими видами бумаги, вы обнаружите, что все они тоже состоят из волокон, которые выглядят примерно одинаково.

Хотите сохранить ваши волокна для других опытов? Просто приклейте эту ленту к кусочку черной бумаги. На черном фоне волокна будут хорошо видны даже через ленту. А главное, вы сможете их сохранить!

А как получить волокна, чтобы сделать кусочек бумаги самому? Не удивляйтесь, если это займет у вас некоторое время, – ведь вам потребуется несколько миллионов волокон!

Бумагу делают из самых разных растительных волокон. Чаще всего это древесина. Можно использовать солому, бамбук, другие растения. Но оказывается, самую лучшую и дорогую писчую бумагу делают из льна и хлопка. Собственное производство бумаги вы можете начать с любого из подручных материалов!

Ваша первая задача – отделить целлюлозные волокна от носового платка. Отрежьте от него полоску приблизительно 2,5x20 см. Затем по одной вытаскивайте нитки из узкого конца полоски. Получившуюся бахрому обрежьте ножницами. Все нитки, и длинные, и короткие, собирайте в миску. Продолжайте выдергивать отдельные нитки и состригать бахрому до тех пор, пока не превратите всю полоску ткани в ворох маленьких ниточек. Это займет у вас не меньше часа. Чем терпеливее и аккуратнее вы будете сейчас, тем лучше и качественнее получится ваша бумага.

Рис. 4. В поисках волокон (первый шаг к получению бумаги)

Требуется: старый льняной или хлопчатобумажный носовой платок; ножницы; миска.

Наконец вся полоска ткани превратилась в маленькие ниточки, но ваша работа еще не закончена. Эти ниточки состоят из множества волокон, которые вам и нужны. Теперь осторожно собирайте по нескольку ниточек в пучок и обстригайте ножницами. Эту процедуру продолжайте до тех пор, пока не превратите нитки в однородную волокнистую массу. Чем дольше и тщательнее вы будете трудиться, тем больше вас удовлетворит конечный результат.

Набрав целую миску крошечных целлюлозных волокон, вы наконец сможете отдохнуть. Самый трудоемкий процесс теперь позади, и сделать из этих волосков бумагу не так сложно.

ОТБЕЛИВАНИЕ И КИПЯЧЕНИЕ

Конечно, в промышленности волокна разделяют с помощью машин, которые за то же время, которое вы потратили на свой маленький кусочек ткани, могут приготовить многие тонны волокон. Но это – первый шаг в производстве бумаги, и независимо от того, делаете ли вы его дома или используете гигантские машины на фабрике, он всегда одинаков.

Рис. 5. Научно–волшебное исчезновение пятен

Требуется: кусочек бумажной салфетки, примерно 7,5x15 см; красный пищевой краситель; стакан; жидкий отбеливатель.

Следующий очень важный процесс – отбеливание. Оно устранит пятна, и волокна станут чистыми и белыми. Любое различие цвета волокон будет заметно в бумаге, поэтому отбеливание – необходимая процедура, если вы хотите получить красивый бумажный лист.

Наполовину наполните стакан водой. На полоску бумаги капните красным пищевым красителем. Окуните полоску в воду и затем вытащите ее. Красный цвет частично остался на бумаге, частично перешел в воду. Но вода – не отбеливатель, и, если вы сполоснете полоску в воде даже несколько раз, она все еще останется красной. А теперь налейте немного отбеливателя в воду и размешайте его. (Будьте очень осторожны при этом и всех других исследованиях, не накапайте отбеливателем на вашу одежду: она может изменить цвет. Лучше всего – надеть что–нибудь старое.) Правда, волшебный фокус – красный цвет загадочно исчез! Когда вода станет бесцветной, опустите в нее полоску, и вы увидите, как она снова станет абсолютно белой.

Как же это происходит? Бытовой отбеливатель – это химическое вещество, которое называется гипохлорит натрия. Он содержит кислород, газ, который очень легко освобождается. Соединяясь с ним, многие красители образуют новые, как правило, бесцветные химические соединения. Помещая краситель в отбеливатель, вы не заставляете его исчезнуть совсем, а просто превращаете его в другое химическое вещество, невидимое.

Красный пищевой краситель охотно соединяется с кислородом. А вот зеленый и синий – нет! Попробуйте отбелить их. Отбеливается большинство чернил; некоторым пятнам или красителям требуется для этого долгое время, некоторым нужны специальные отбеливатели. Но для вашей бумаги недолгого отбеливания в гипохлорите натрия будет вполне достаточно.

Поместите волокна в стакан. Залейте их отбеливателем, заполнив стакан примерно на четверть. Перемешайте волокна, убедитесь, что все они полностью намокли, и выдержите их в отбеливателе в течение одной минуты. Затем осторожно слейте отбеливатель в отверстие раковины. Лучше процедить смесь через чайное ситечко, чтобы выловить все волокна.

Рис. 6. Отбеливание волокон

Требуется: ранее подготовленные волокна; стакан; бытовой отбеливатель; чайное ситечко или вилка.

Затем снова наполните стакан наполовину водой, размешайте в ней волокна и осторожно слейте воду, так же как вы сливали отбеливатель. Повторите эту процедуру несколько раз, чтобы волокна полностью очистились.

Прополоскав несколько раз, снова наполните стакан водой. Теперь вы готовы к следующему шагу – варке.

Вылейте всю смесь в кастрюльку. Если волокна покрыты водой не полностью, долейте еще, пока они не покроются целиком. Не бойтесь переборщить с водой. Включите плиту и прокипятите волокна в течение 10–15 мин.

В промышленности для варки бумажной массы используют котлы – большие металлические емкости. Масса постоянно перемешивается, чтобы волокна не склеивались. С той же целью иногда помешивайте вашу смесь ложкой или вилкой. Если вы заметите маленькие комочки, вытащите их и, дав остыть, потрите между пальцами, разделяя волокна, а потом аккуратно, чтобы не обжечься, опустите их обратно в кастрюлю.

Рис. 7. Кипячение волокон

Требуется: стакан воды с подготовленными волокнами из предыдущего опыта; кастрюля; плита; ложка или вилка.

Зачем волокна варят? Их предстоит склеивать. И чем лучше волокна разварятся, тем лучше потом прилипнут друг к другу. Во время кипячения они размягчаются, разбухают и становятся клейкими, а это очень важно для того, чтобы бумага получилась качественной. Но ваши волокна еще не прошли обработку; это пока волокна, и не больше того. Следующий шаг – соединить их со специальными добавками, необходимыми для получения бумаги.

БУМАЖНЫЙ «СУП»

Если бы вашу бумагу делали на целлюлозно–бумажном комбинате, то теперь ее поместили бы в большой чан. В нем «каша» из волокон была бы растворена, перемешана и проклеена. Чтобы лучше представить себе этот процесс, давайте попробуем проделать то же самое.

Обычно растворение и проклейка происходят одновременно.

Проклейка – это вовсе не последний шаг в производстве бумаги, как можно подумать. На самом деле это означает добавление в нее веществ, придающих ей жесткость. Удивительно, но это происходит задолго до того, как волокна превратятся в бумагу. Возможно, ваша мама «проклеивала» рубашки или другую одежду с помощью крахмала. Мы будем использовать его же.

Налейте в миску полчашки жидкого крахмального клейстера. Добавьте четыре чашки воды и перемешайте все ложкой. Влейте этот раствор в кастрюлю с водой и прокипяченными волокнами и перемешайте ложкой. Следите, чтобы волокна не слипались.

В настоящем производстве бумаги волокна растворяют водой, превращая их в жидкий бумажный «суп». Только один процент этого супа – волокна, а девяносто девять – вода. Очень важно как можно лучше разбавить волокна водой. Чем больше воды и чем равномернее волокна распространены в ней, тем лучше будет бумага. Не бойтесь использовать слишком много воды. Настоящие бумагоделательные машины расходуют ее столько, что, если бы они использовали лишь свежую воду, очень быстро все водные запасы вокруг были бы исчерпаны. Поэтому в промышленности вода используется повторно. Производство бумаги – одна из немногих отраслей, которые требуют такое огромное количество воды!

Рис. 8. Рецепт бумажного супа

Требуется: подготовленные волокна из предыдущего опыта; миска; полчашки крахмального клейстера; мерный стаканчик; ложка; четыре чашки воды.

После растворения и проклейки бумажные волокна взбиваются в большом чане. Мы проделаем то же.

Это довольно простая процедура. Все, что вам нужно сделать, – поместить миксер в ваш бумажный «суп» и хорошенько его перемешать. Чем быстрее, интенсивнее и дольше вы будете взбивать смесь, тем лучше получится бумага. При взбивании волокна и все маленькие комочки размалываются и превращаются в своего рода кисель. Но самое главное – взбивание помогает кончикам волокон распушиться и лучше переплестись между собой. На этом последнем этапе волокна окончательно перемешиваются и получается однородная гладкая масса. Есть одна добавка, которую вы можете подмешать при взбивании. Попросите у вашей мамы немного синьки для стирки и добавьте несколько капель в ваш «суп». Синька поможет выбеливанию волокон, и ваша бумага будет еще чище.

Рис. 9. Взбивание бумаги

Требуется: бумажный суп из предыдущего опыта; миксер; синька.

В настоящем производстве бумаги могут использоваться другие добавки – мел, клей или специальные волокна. Они придают бумаге особые свойства. Капните немного воды на туалетную бумагу, и она мгновенно впитается. А теперь капните воды на бумагу для печати. Видите разницу? Бумага для печати содержит добавки, делающие ее водонепроницаемой, которых в туалетной бумаге нет. Добавки позволяют получать специальные виды и сорта бумаги, которые используются для самых различных целей.

СОБИРАНИЕ КУСОЧКОВ БУМАГИ

Вы уже поняли, что для того, чтобы получить маленький кусочек простой бумаги, требуется очень много времени. Не помешает вспомнить, что рабочий цикл настоящей машины для получения бумаги – один из наиболее продолжительных в промышленности. Будьте терпеливы и не бросайте начатого дела. Вам осталось всего три шага, и после каждого вы уже сможете увидеть некоторые результаты кропотливой работы. Итак, три последних этапа – это отцеживание, раскатывание и сушка.

Это наиболее важный шаг и требует определенной ловкости, так что, перед тем как начать, полностью прочитайте инструкции. Аккуратно перемешайте ложкой бумажный «суп». Когда все волокна окажутся в воде в подвешенном состоянии, погрузите в нее кусочек оконной сетки. Осторожно по стенке кастрюли спустите ее на дно, расправьте и поднимайте, захватывая волокна. Если вы пропустите часть волокон и бумажный коврик на сетке будет с проплешинами, окуните его снова, чтобы выловить оставшиеся.

Рис. 10. Отцеживание бумаги

Требуется: бумажный суп из предыдущего опыта; ложка; кусочек оконной сетки в 5 см².

Вы должны добиться того, чтобы сплошной слой волокон был равномерно распределен по всей сетке. Если при первой попытке на сетке у вас окажется просто большой комок, отправьте волокна обратно в воду, как следует перемешайте и попробуйте все снова. А когда, наконец, вы добьетесь успеха в этой «рыбалке», «мокрая» работа вашей бумажной машины закончится.