Текст книги "Изучаем науку с помощью бумаги"

Положите сухой носовой платок на гладкий стол. Поместите сетку со слоем волокон на одну половину платка, а вторую перегните через сетку. Теперь раскатывайте скалкой платок с сеткой вперед–назад. Так вы делаете сразу два дела: отжимаете воду из волокон, чтобы они скорее высохли, и, что очень важно, выравниваете волокна, формируя сам лист бумаги. При этом их растрепанные концы сцепляются и прочнее соединяются между собой. Чем лучше они скрепятся сейчас, тем прочнее будет ваша бумага. Продолжайте прессование до тех пор, пока лист не станет достаточно ровным.

Теперь очень осторожно разверните носовой платок. Бумага, скорее всего, будет приставать к ткани, но это не страшно: ее можно аккуратно отклеить. Вот теперь можно передохнуть и полюбоваться результатом: работа завершена, и вы действительно сделали своими руками кусочек бумаги!

Рис. 11. Раскатывание коврика

Требуется: бумажный коврик на сетке из предыдущего опыта; сухой носовой платок; скалка.

Если вы пытались сделать «невозможное» (см. начало книги), то знаете, что бумагу можно разорвать только вдоль одной стороны. В настоящей бумажной машине волокна выравниваются и ложатся в одном направлении. Вы можете легко и ровно рвать бумагу вдоль волокон, но у вас получится кривая линия, если разрыв пройдет поперек их. А в бумаге, сделанной вами, волокна не выровнены, так что во всех направлениях она будет рваться одинаково хорошо.

Теперь вам остался последний шаг.

Оставьте сетку в покое, пока бумага полностью не высохнет. Лучше всего отложить ее на ночь. Утром вы сможете отделить бумагу от сетки, обрезать края, чтобы получился квадрат, и – это великий момент! – попробовать написать на ней что–нибудь.

Рис. 12. Сушка бумаги

Требуется: бумага на сетке из предыдущего опыта.

Что бы вам написать? Например, вот это – ЛИСТ БУМАГИ ИЗ 100 % ТКАНИ, СДЕЛАННЫЙ (ВАШЕ ИМЯ). Вот что получилось в результате всех ваших стараний. Вы действительно сделали это!

СПЕЦИАЛЬНАЯ БУМАГА

Каждый вид бумаги производится со специальными целями. Газетная бумага необязательно должна быть гладкой или сохраняться в течение долгого времени. Она делается на 100 % из древесины. Бумага для печати, например использованная в этой книге, имеет в своем составе 25 % хлопкового волокна. Вы наверняка видели оберточную бумагу, картон, салфетки, прозрачную бумагу, копирку и еще разную–разную! Что же делает бумагу особенной? Скорее всего, это введенные добавки или способ изготовления.

Газетная бумага и бумага для печати делаются из разных материалов. А вот пример бумаги, особенной из–за добавок.

Положите бумажную денежную купюру на ладонь и рассмотрите ее. Кажется, что это обыкновенный листок бумаги. Представьте, как легко напечатать или подделать ее, если бы это был действительно простой листок с затейливым рисунком. Однако денежные знаки печатаются на специально предназначенной для этого бумаге. Ни один производитель не имеет права изготавливать ее без разрешения правительства. А если вы все же сделаете такую бумагу, то нарушите закон.

Почему эта бумага необычна? Рассмотрите купюру на свет. Если вы будете внимательны, то заметите в бумаге тончайшие нити темного оттенка и даже сможете различить несколько красных и синих волокон. Бумага выглядит белой, но в нее специально добавлено немного красных и синих волокон, чтобы она отличалась от любой другой, произведенной где бы то ни было. Попробуйте сравнить купюру в 5, 10, 50 рублей и выше. На какой бумаге напечатана каждая?

Рис. 13. Специальная бумага для печатания денег

Требуется: банкнот; яркий свет.

Бумага может различаться и из–за способа ее обработки. Например, бумага с очень глянцевой поверхностью была пропущена через мощные гладильные валики. Некоторые салфетки протягивают по специальному лезвию, чтобы придать им рифленый, «вафельный» вид. Прозрачная бумага сделана из волокон, выработанных очень аккуратно и тщательно.

Давайте исследуем один очень интересный процесс – получение водяных знаков. Обычно эти знаки производители наносят на качественную бумагу, которая является их гордостью. Это невидимые знаки на листе бумаги, которые не смешиваются с напечатанным изображением.

Многие марки делаются специальным способом: влажную бумагу кладут на проволочный орнамент или узор и прокатывают ее валиком. Рисунок равномерно выдавливается на бумаге, повторяясь через определенные промежутки. После высыхания выдавленный узор становится почти невидимым. Если у вас есть несколько марок, возможно, вы найдете на какой–нибудь из них водяные знаки (они встречаются не на всех марках). Просто вымочите марку в миске с водой в течение нескольких минут. После полного высыхания поднесите ее к свету, обратной стороной к себе. Если на ней есть узор, вы легко разглядите его. Если на марке есть клей, вымачивать ее не стоит. Коллекционеры марок пользуются специальной жидкостью, которая проявляет водяные знаки, не повреждая клея.

Рис. 14. Водяные знаки на марках

Требуется: несколько марок; посуда с водой.

Кроме поиска знаков на марках, вам наверняка доставит удовольствие научиться наносить свои собственные водяные знаки на сделанную вами бумагу или на любой лист обычной писчей бумаги. Вот как это можно сделать.

Погрузите лист бумаги в воду примерно на десять секунд. Прилепите его на оконное стекло. Приложите к нему другой, сухой лист. Нарисуйте узор, сильно надавливая на карандаш или использованный стержень шариковой ручки, чтобы рельефный след от него оставался на влажном листе. Снимите сухой лист и отлепите от окна влажный. Сейчас вы еще можете ясно видеть написанное, но, как только бумага высохнет, рисунок станет невидимым. И чтобы он проявился, лист нужно снова опустить в воду.

Рис. 15. Ваш собственный водяной знак

Требуется: два листа бумаги; оконное стекло; карандаш; миска с водой.

Погрузите в воду листы разной писчей бумаги или бумаги для печати, чтобы увидеть, есть ли на них водяные знаки. Видны ли они на сухой бумаге, если посмотреть ее на свет?

А теперь, используя водяные знаки, попробуйте написать своим друзьям невидимые приглашения на вечеринку!

У себя дома и в школе вы наверняка найдете множество видов особенной бумаги. Постарайтесь определить, что сделало бумагу особенной – специальные материалы, добавки или последующая обработка? Такая охота наверняка доставит вам удовольствие!

Помните, что, какая бы необычная бумага вам ни встретилась, основное ее назначение – быть паутиной для слов. Мы бы никогда не узнали о том, что изучали древние люди, или что случилось в мире сегодня, или в чем наше домашнее задание верно, а в чем – нет, если бы не это важнейшее открытие. И о том, что мы знаем сами, мы тоже можем рассказать другим людям с помощью бумаги. Без нее не было бы этой книги!

Глава 3
ВПИТЫВАЮЩАЯ БУМАГА

Всем известно, что бумага при намокании становится сырой, она поглощает, или абсорбирует, воду. Но вы, как настоящий ученый–исследователь, должны задать вопросы «почему?» и «как?». Что же происходит, когда встречаются бумага и вода?

КАК ВОДУ ЗАСТАВИТЬ ИДТИ В ГОРУ

Реки текут с возвышенностей вниз в озера и океаны. Водопады всегда летят вниз. Вода из крана тоже капает вниз, в раковину. Если бы я спросил вас, куда течет вода, вы, не задумываясь, ответили бы: «Вниз». И все–таки существуют примеры движения воды вверх. Можете придумать хоть один?

Скажем… дерево! Ничего удивительного: дерево, как и большинство растений, корнями добывает воду из почвы. Она должна подняться ко всем жизненно важным частям растения. Как же вода может течь вверх?

И действительно, эта тайна долгое время не давала ученым покоя… и они все же не могли полностью разобраться в ней. Вероятно, вода поднимается по высоким стволам в результате нескольких одновременных процессов. Часть из них очень сложна, но некоторые можно исследовать на примере кусочка обычного бумажного полотенца или салфетки.

Загните кончик бумажной полоски шириной около 15 см. Повесьте полоску на край стакана так, чтобы бумага слегка касалась воды. Понаблюдайте, что будет происходить. Заметили, как вода начала ползти по полоске вверх? Через некоторое время вода вскарабкается прямо по краю стакана и может даже капнуть на стол.

Этот подъем воды называется капиллярным эффектом. Именно таким образом вода питает высокие деревья. Как это происходит?

Для начала забудьте о том, что лист бумаги сплошной, потому что это неправда. На самом деле (и вам теперь это хорошо известно) это паутинка из мельчайших волокон, спрессованных вместе. Между ними остается некоторое пространство, которое вода может легко заполнить.

Рис. 16. Водяная лестница

Требуется: стакан, заполненный на четверть водой; полоска бумажного полотенца 15x1 см.

Теперь внимательно взгляните на стакан с водой. На первый взгляд поверхность воды кажется плоской, как стол… но это тоже неправда. Если вы посмотрите на стакан сбоку, то увидите, что на самом деле по краям, там, где вода касается стенок, она как будто «загибается» кверху. Опустите в воду карандаш, и вы увидите, что поверхность воды слегка «взбирается» по его граням вверх. Середина же водной поверхности, которая ни с чем не соприкасается, заметно ниже, чем ее края. Поверхность воды похожа на чашу!

Когда в вашем исследовании полоска бумажного полотенца касается воды, жидкость начинает заполнять пустое пространство между волокнами. Каждое волокно, касающееся воды, заставляет ее поверхность искривляться вокруг себя, так же как стенки стакана или карандаш. Поднявшись, кромка воды пытается втянуть за собой и остальную воду. В стакане середина поверхности слишком широка, воде тяжело подняться, и в конце концов между поднимающимися краями и удерживающей их серединой устанавливается равновесие. В результате получается искривленная поверхность, что вы и наблюдали. Но представим, что середина достаточно мала и не слишком тяжела. Вам не приходит в голову мысль, что в этом случае края смогут поднять ее за собой вверх? Именно это и происходит между волокнами в полоске бумажного полотенца.

Вода притягивается к твердым предметам, например стакану, карандашу, бумажным волокнам. Если пустоты в них или между ними достаточно малы, это притяжение становится причиной того, что вода стремится к ним, а затем – по ним вверх. Вот это и есть капиллярный эффект.

Но если вы опустите в воду стальной нож или кусочек стекла, подниматься по ним она не будет. В стали и стекле нет пустот, в которых вода могла бы задержаться. Теперь вам понятно, что такие пространства важны и необходимы для того, чтобы вода взбиралась вверх. Их размер и форма могут усиливать капиллярный эффект или, напротив, делать его менее заметным. Чтобы доказать это, давайте сравним капиллярные свойства бумаги разных видов.

Загните на 2,5 см кончики каждой из испытываемых полосок (из бумажного полотенца, картона, кальки, туалетной бумаги, салфеток для лица… и любой другой бумаги, которую вы достанете). Как и в предыдущем эксперименте, повесьте полоски на стенки стакана, наполненного на четверть водой, в которую добавлена капля пищевого красителя.

Рис. 17. Капиллярное соревнование

Требуется: стакан, заполненный на четверть водой; пищевой краситель (любого цвета); полоски бумаги разного типа: бумажное полотенце, картон, калька, туалетная бумага, салфетка.

Следите за тем, как вода взбирается по каждой из полосок. По какой из них вода поднялась быстрее всего? А какая позволила капле перебраться через кромку стакана? Перед началом эксперимента вы можете сделать свои предположения и проверить их. Капиллярный эффект проявляется лучше всего в опытах с бумагой с наибольшими, правильной формы и зачастую длинными ячейками. Чаще всего на той бумаге, на которой лучше всего писать, капиллярный эффект проявляется хуже, и наоборот. Можете объяснить почему? Если нет, вы найдете ответ в главе, посвященной производству бумаги.

АБСОРБИРОВАНИЕ КАК НАУЧНЫЙ МЕТОД

Знаете ли вы, как ученый находит ответы на вопросы? Как он открывает явления, которые никогда и никому раньше не были известны?

Для настоящего исследователя нет ничего невозможного. При изучении любой проблемы он использует научный метод или, другими словами, разбирает свою задачу, которую хочет решить шаг за шагом. Прежде всего, он «прицеливается»: определяет ту «головоломку», которую пока не может понять, – возможно, ее еще никому не удавалось понять. А затем действует таким образом:

• выдвигает предположение о сути явления, которое называется «гипотезой» – это термин, то есть специальное слово, обозначающее «предположение» или «догадку»;

• проводит эксперименты, чтобы как следует разобраться, что же происходит на самом деле, и во время этих, нередко многочисленных экспериментов очень внимательно наблюдает за происходящим, изучая каждую деталь и записывая наблюдения;

• наконец, создает теорию – объяснение истинных причин происходящего, которая может как совпадать с начальной гипотезой, так и сильно отличаться от нее в зависимости от того, что происходило в ходе экспериментов.

Вот еще одно исследование: попробуйте самостоятельно применить научный метод. Перед тем как начать, пожалуйста, прочитайте инструкцию.

Опустите в воду кончики листа бумажного полотенца, вырезанного, как показано на рисунке, так, чтобы их свободные края коснулись поверхности одновременно. Понятно, что, как только полоски коснутся воды, она начнет взбираться вверх. А вот и вопрос, на который вы должны ответить с помощью научного метода: «По какой полоске, широкой или узкой, вода будет подниматься быстрее?»

Превращаемся в ученых и начинаем действовать по нашему плану. Вот шаги, которые вам предстоят:

• выдвиньте предположение (гипотезу) о том, какая из полосок выиграет гонку, использовав все, что вы уже действительно знаете или предположили;

• погрузите концы бумажных полосок в воду, выровняйте бумагу по краю миски и крепко держите ее при соприкосновении с водой – это станет вашим экспериментом;

Рис. 18. Большая бумажная гонка

Требуется: миска, наполовину наполненная водой; салфетка, разрезанная, как показано на рисунке (размеры полосок не важны, но сделайте одну из них потоньше, а другую потолще).

• внимательно следите за тем, что будет происходить; если вы сомневаетесь в результатах, вырежьте еще один кусочек бумаги и повторите опыт, как поступают ученые, чтобы быть уверенными в результатах.

Даже если ваша гипотеза ошибочна, вы можете объяснить, почему именно эта полоска выиграла гонку. Если предположение неверно, но после опытов и исследований вы можете объяснить почему – вы станете хорошим ученым. Ученый не может быть во всех своих предположениях прав на все 100 %, но он не боится ошибок и ищет верный ответ. Его задача – провести эксперименты и объяснить то, что он увидел. Ваше объяснение, верное или нет, теперь и будет вашей теорией.

Как только ученый разработает теорию, он делится ею с другими учеными, которые либо соглашаются с ним, либо не соглашаются и предлагают другие идеи и свои гипотезы. Наш ученый может придумать и провести новые эксперименты, чтобы проверить, верны ли предположения его друзей. И как ученый, вы можете рассказать о вашей теории большой бумажной гонки друзьям или учителю и выяснить, нет ли у них других идей и своих открытий.

Здесь есть маленький секрет: научный метод используется не только учеными; он действует в жизни всех людей и помогает решать любые задачи. Например, представьте, что вам нравится играть в футбол, но никак не удается хорошо ударить по мячу, как бы вы ни старались. Стоп! Применяем научный метод. Вначале вы можете предположить, что именно и почему плохо получается, поэкспериментировать на следующей тренировке, сделать вывод о том, что вы слишком торопитесь при выполнении удара, и затем поделиться вашей теорией с тренером. Неужели вы никогда не использовали научный метод? Возможно, у вашего тренера есть свои мысли на этот счет, но, если вы продолжите думать таким образом, вы намного быстрее поймете, как научиться бить по мячу сильно и резко.

Девочкам научный метод тоже необходим. Представьте, что, несмотря на все попытки, вам никак не удается испечь пирог. Каждый раз он растекается и получается плоским, как блин. Из кулинарной книги вы узнаете, что разрыхлитель – важный ингредиент в тесте. Внимание! У вас появилась гипотеза! В следующий раз вы можете попробовать испечь пирог, добавив больше разрыхлителя, чем раньше, – это и есть эксперимент! На этот раз пирог выглядит прекрасно. Вы провели наблюдение! А затем вы можете решить, что, если вы хотите печь чудесные пироги, нужно класть в тесто больше разрыхлителя. Вы просто развили теорию! Теперь, если ваши пироги будут получаться вкуснее и вкуснее, вы поймете, что ваша теория верна, и это станет последним шагом в научном методе… доказывающем, что ваша теория работает всегда.

Итак, вы видите, научный метод не настолько таинственен, как это может показаться на первый взгляд. Его используют все. Вы и я применяем его практически каждый день. И называем это нашим здравым смыслом.

ХРОМАТОГРАФИЯ

Теперь вы знаете, что вода может двигаться вверх по кусочку бумаги благодаря капиллярному эффекту, и, как большинство людей, можете сказать: «Ну и что?» Некоторые люди считают ненужным любое знание, если его нельзя практически применить. Но есть ученые, изучающие предметы и явления, которым в общем–то сложно найти применение. Такой вид занятий называется чистым исследованием. Зачем они занимаются этим? Зачем это вам?

Однажды несколько таких ученых начали изучать атомы. Можно сказать, что атомы слишком малы, незначительны и не столь важны для исследования. А сегодня мы используем атомную энергию для получения электричества, привода мощных двигателей и излечения многих болезней. Если бы ни один ученый не обратил внимания на атомы, никто бы даже и не узнал, насколько они могут быть полезны. Ученые проводят чистые исследования просто для того, чтобы лучше понять наш мир; и в будущем кто–то находит применение тем знаниям, которые они получают. Если что–то вас по–настоящему интересует, вы не должны сомневаться, стоит ли это изучать, даже если кому–то это кажется незначительным. Люди, изучающие подобные вещи, часто оказываются теми, кто делает наиболее важные открытия.

Как мы можем использовать способность воды подниматься по кусочку бумаги? Удивительно, но одно из наиболее важных применений уже найдено, и вы можете поэкспериментировать с ним. Это – бумажная хроматография. Из первого слова вам понятно, что это нечто связанное с бумагой; а второе слово «хроматография» означает «цвет» (хрома) и «писать» (графия). Сложите их, и вы получите «писать цветом на бумаге». Вот один из способов познакомиться с цветным письмом.

Оберните конец бумажной полоски вокруг карандаша посередине и закрепите его скрепкой. Капните на полоску одну или две капли зеленого пищевого красителя. Иллюстрация поможет вам сделать это правильно.

Наполните стакан на четверть протирочным спиртом. Положите карандаш на края стакана так, чтобы нижний конец бумажной полоски касался спирта. Теперь отложите исследование на несколько часов.

Рис. 19. Хроматография

Требуется: полоска бумажного полотенца, 15x2,5 см; стакан; зеленый пищевой краситель; протирочный спирт; карандаш; скрепка.

Когда вы вернетесь к нему, спирт поднимется по бумаге, пройдя цветное пятно. Различные химические вещества красителя проникают в спирт и проходят вместе с ним некоторое расстояние. Самое удивительное, что вы обнаружите: нанесенное вами пятно оказалось разноцветным.

Откуда появляются другие цвета? Не предполагаете ли вы, что различные химические вещества, составляющие зеленый краситель, могут иметь разную окраску и что они оказались отделены спиртом друг от друга? Да, именно это и произошло! Различные вещества проникают в спирт в различных количествах. Одни из них легко поглощаются спиртом и движутся в его потоке с большей скоростью, поднимаясь выше, а другие неохотно смешиваются с ним и проходят вверх лишь небольшое расстояние. Вы успешно разделили несколько хорошо перемешанных химических веществ с помощью одного из простейших способов, когда–либо открытых!

Хроматография является важнейшим тестом в науке. Тщательно проанализировав состав химического вещества по цвету, ученый может легко установить исходные вещества. Легко понять, что бумажная хроматография, действительно достойная изучения, работает именно за счет капиллярного эффекта – способа, которым вода распространяется в бумаге.

Вы можете сказать: «Но я же не применял воду в испытании, я использовал спирт». Вероятно, однако, спирт двигается по бумаге так же, как и вода, но разделяет вещества по–другому. Возможно, эта подсказка вам поможет? Если нет, попробуйте сделать следующее.

Рис. 20. Хроматография на воде

Требуется: материалы из предыдущего опыта; вода вместо спирта.

Используйте те же материалы и точно так же, как и в предыдущем эксперименте, но вместо спирта возьмите четверть стакана воды. Получились разноцветные кляксы, как раньше? Нет, потому что все вещества пищевого красителя с готовностью смешиваются с водой и равномерно переносятся по полоске. У вас получился сплошной зеленый мазок – вверху и внизу его состав одинаков.

Не разочаровывайтесь, что опыт с водяной хроматографией не оправдал надежд. Это лишь напоминает, что очень важно правильно подобрать растворитель для химических веществ. Ученый может выбрать один из многочисленных типов растворителей – тетрахлорид углерода, ацетон, бензин или дисульфид углерода. Он даже может обнаружить, что бумага подходит для «писания» цветом не так хорошо, как древесный уголь, известь, тальк или сахар. Не важно, насколько сложна может быть комбинация – в ее основе все та же идея капиллярного эффекта, и, если вы поняли это, всегда поймете и механизм этого эксперимента. Согласитесь, что полезно бывает знать основные научные идеи, даже если мы и не догадываемся, насколько они хороши, когда изучаем их.

Если вам понравилось экспериментировать с хроматографией, вот еще несколько вариантов. Для опыта, в результате которого образуются аккуратные кольца, нужен бумажный круг. Начинаем!

Рис. 21. Круговая хроматография

Требуется: лист бумажного полотенца; зеленый пищевой краситель; протирочный спирт; ножницы; маленькая миска.

Вырежьте круг из бумажного полотенца, немного большего размера, чем верх глубокой тарелки. Вырежьте и отогните в середине флажок, убедившись, что он достаточно длинен и достает до дна тарелки, если диск положить на нее, как крышку (взгляните на рисунок). Нанесите одну или две капли зеленого пищевого красителя на сгиб флажка. Наполните тарелку наполовину спиртом и положите на нее диск. Отогните флажок так, чтобы он окунулся в спирт. Оставьте это сооружение в покое примерно на два часа. Когда вернетесь к нему, вы обнаружите на бумажном диске цветные кольца.

Если вы хотите узнать побольше о завораживающей науке хроматографии, ищите информацию в книгах по химии в местной библиотеке. А если предпочитаете самостоятельно открывать разные вещи, вот несколько опытов, с которых можете начать.

• Попробуйте взять другие пищевые красители, может быть, они состоят из различных веществ?

• Смешайте два или более пищевых красителя. Сможете ли вы разделить их?

• Попробуйте провести водяную хроматографию с пятном из пасты от шариковой ручки.

• Растения зеленые, потому что в них имеется хлорофилл – вещество зеленого цвета. Возьмите несколько листьев и вымочите их в закрытой миске, содержащей немного спирта. (Отлично подойдут листья салата.) Через несколько дней, когда спирт позеленеет, перелейте раствор в стакан. При подъеме спирта с хлорофиллом по бумажной полоске могут отделиться другие вещества. Удастся ли вам обнаружить каротин (оранжевый) и ксантофилл (красный)? Именно от них зависит цвет осенних листьев.

• Может быть, другие виды бумаги лучше подойдут для подобных опытов, чем бумажное полотенце? Работают они быстрее или медленнее?

Когда вы проделаете эти испытания плюс любые другие, какие придумаете, вы легко представите тысячи похожих экспериментов, которые проводят ученые, пытаясь больше узнать о хроматографии. Вначале каждый из них – такая же загадка, как и ваши исследования. Ученые не знают, что произойдет или как их открытие будет использовано впоследствии. Это чистые исследования, и они являются одним из наиболее важных и полезных видов исследовательской деятельности, так как независимо от того, получит ли экспериментатор предполагаемые результаты или нет, он всегда узнает что–то новое. А поэтому такие эксперименты никогда не проваливаются!