Текст книги "Жидкости"

Марк Медовник
Жидкости
Прекрасные и опасные субстанции, протекающие по нашей жизни

Научный редактор Вадим Гладырев

Издано с разрешения Andrew Nurnberg Associates International Ltd c/o OOO «Andrew Nurnberg Literary Agency»

Все права защищены.

Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Original English language edition first published by Penguin Books Ltd, London

Copyright © Mark Miodownik, 2018

The author has asserted his moral rights

All rights reserved

© Перевод на русский язык, издание на русском языке, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2019

* * *

Светлой памяти моих мамы и папы

Введение

Служба безопасности в аэропорту конфисковала у меня много полезных вещей: арахисовую пасту, мед, соус песто, зубную пасту и, что самое обидное, бутылку односолодового виски. В таких ситуациях я всегда теряюсь. Я говорю банальности вроде «позовите вашего начальника» и «арахисовая паста – не жидкость», хотя прекрасно знаю, что на самом деле неправ. Арахисовая паста течет и принимает форму сосуда – а именно этим отличаются жидкости, – так что вывод ясен. Но все равно меня бесит, что в мире, полном «умной» техники, охранник аэропорта не в состоянии отличить жидкую пасту для намазывания на хлеб от жидкой взрывчатки.

Пронос более чем 100 мл жидкостей через кордон был запрещен еще в 2006 г., но технологии их обнаружения за это время не слишком усовершенствовались. Рентгеновские аппараты способны просветить багаж и обнаружить в нем разные объекты. В первую очередь работники службы безопасности обращают внимание на подозрительные формы: стараются отличить пистолеты от фенов, а ножи от шариковых ручек. Но жидкости не имеют своей формы. Они принимают форму того, в чем находятся. Сканеры в аэропорту умеют определять плотность веществ и целый ряд химических элементов. Но и здесь есть проблемы. Молекулярный состав взрывчатого вещества нитроглицерина, например, похож на состав арахисовой пасты: углерод, водород, азот и кислород. Но одно из этих веществ – жидкая взрывчатка, а другое… ну, просто вкусное. Есть море опасных токсинов, ядов, дезинфектантов и патогенов, которые невероятно трудно отличить от более невинных жидкостей – по крайней мере, быстро и надежно. Именно такие аргументы, которые мне доводилось слышать от многих охранников (и их начальников), обычно вынуждают меня согласиться – хотя и не без сожаления, – что арахисовая паста или одна из тех жидкостей, которые я, кажется, регулярно забываю вынуть из ручной клади, представляют серьезную угрозу.

Жидкости – это, можно сказать, альтер эго надежного твердого тела. Если твердые вещества – верные друзья человечества, принимающие постоянную форму одежды, обуви, телефонов, машин и даже аэропортов, то жидкости текучи: они готовы принять любую форму, но только если их в ней что-то удерживает. Если нет, они в вечном движении: просачиваются, разъедают, капают и всячески уходят из-под нашего контроля. Если поместить куда-то твердое вещество, оно там и останется (разве что вы нарочно изымете его оттуда) – и будет выполнять полезную функцию, например поддерживать дом или снабжать электричеством целый населенный пункт. Жидкости же – настоящие анархисты: они обладают врожденной способностью всё разрушать. В ванной приходится постоянно бороться за то, чтобы вода не просачивалась в трещины и не скапливалась под полом. А то там она вытворяет всякие гадости: заставляет гнить и портиться деревянные перекрытия; гладкий плиточный пол превращает в идеальную поверхность для того, чтобы поскользнуться и получить травму. Собираясь в углах ванной, она может стать пристанищем для черного плесневого грибка (ближайший «родственник» «серой гнили») и бактерий, которые способны проникать в наше тело и вызывать болезни. И все же, несмотря на ее вероломство, мы обожаем ее. Нам в радость купаться в воде и принимать душ, окатывая ею всё тело. И какая ванная может считаться таковой без множества бутылочек с жидким мылом, шампунями и кондиционерами, баночек с кремом и тюбиков с зубной пастой? Мы радуемся всем этим чудесным жидкостям и одновременно тревожимся: не вредны ли они для нас? Не вызывают ли рак? Не вредят ли окружающей среде? Когда речь заходит о жидкостях, радость и подозрение всегда идут рука об руку. Они двуличны по своей природе: не газ и не твердое тело, а нечто промежуточное, непостижимое и загадочное.

Возьмите, например, ртуть, которая радовала и травила человечество не одну тысячу лет. В детстве я часто играл с капелькой жидкой ртути, гонял ее по поверхности стола, околдованный ее необычностью – будто она из другого мира, – пока мне не объяснили, насколько она ядовита. Но во многих древних культурах считалось, что ртуть продлевает жизнь, залечивает переломы и вообще полезна для здоровья. Неясно, почему ее ценили так высоко – возможно, потому, что это единственный чистый металл, который может оставаться жидким при комнатной температуре. Первый император Китая Цинь Шихуанди принимал ртутные пилюли для здоровья, а умер в тридцать девять лет (вероятно, именно поэтому). Но его похоронили в гробнице, по которой жидкая ртуть текла ручьями. Древние греки использовали ее в целебных мазях, а алхимики верили, что сочетание ртути и еще одного элементарного вещества, серы, образует основу всех металлов, а верный баланс между ртутью и серой рождает золото. Именно отсюда идет ошибочное представление о том, что разные металлы можно превратить в золото, если смешать в верных пропорциях. Мы уже знаем, что это лишь легенда, но золото действительно растворяется в ртути. И если нагреть такую жидкость после того, как она впитала в себя этот металл, то она испарится, оставив твердый комок золота. Для большинства древних людей этот процесс был неотличим от волшебства.

Ртуть – не единственная жидкость, способная поглотить другое вещество и хранить его в себе. Добавьте соль в воду, и она вскоре исчезнет – где-то есть, но где же? А если проделать то же с растительным маслом, соль никуда не денется: так и будет лежать на дне. Почему? Жидкая ртуть может вобрать в себя твердое золото, но отвергает воду. Почему так? Вода поглощает газы, включая кислород, иначе наш мир был бы совсем другим: именно кислородом, растворенным в воде, дышат рыбы. В воде его накапливается недостаточно, чтобы в ней мог дышать человек, но другие жидкости на это способны. Есть тип масла – перфторуглеродная жидкость, – который проявляет очень низкую химическую и электрическую активность. Эта жидкость настолько инертна, что мобильный телефон, помещенный в сосуд с нею, продолжает нормально работать. Кроме того, перфторуглеродная жидкость способна поглощать кислород в таких высоких концентрациях, что в ней может дышать человек. Такое дыхание жидкостью вместо воздуха имеет множество возможных применений, важнейшее из которых – уход за недоношенными детьми с синдромом дыхательной недостаточности.

И все же именно жидкая вода обладает высшей способностью дарить жизнь. Она умеет растворять не только кислород, но и многие другие химические вещества, включая молекулы на основе углерода, и потому обеспечивает среду, необходимую для появления жизни – спонтанного возникновения новых организмов. По крайней мере так гласит теория. Вот почему ученые, занятые поисками жизни на других планетах, ищут жидкую воду. Но во Вселенной она редкость. Возможно, она есть на Европе – одной из лун Юпитера, где под ледяной коркой могут скрываться целые океаны. Может, найдется она и на Энцеладе – одной из лун Сатурна. Но Земля – единственное тело в Солнечной системе, где огромное количество воды доступно прямо на поверхности.

Температура и давление на поверхности нашей планеты, допускающие существование на ней жидкой воды, стали результатом интересного сочетания условий. Так, если бы у Земли не было жидкого ядра из расплавленного металла, которое создает вокруг планеты магнитное поле, защищающее нас от солнечного ветра, вся вода, скорее всего, исчезла бы миллиарды лет назад. В общем, на нашей планете одна жидкость породила другую, что привело к возникновению жизни.

Но при этом жидкости разрушительны. Пена на ощупь мягкая, потому что легко сжимается; если прыгнуть на матрац из какого-нибудь пеноматериала, легко почувствовать, как он подается под вами. Жидкости так не делают; они текут – одна молекула перемещается на место, освобожденное другой. Это можно увидеть в реке, или включив кран в ванной, или помешав ложечкой кофе в чашке. Когда вы прыгаете с трамплина и погружаетесь в воду, ей приходится расступаться перед вами, растекаться в стороны. Но этот процесс требует времени, и если скорость вашего столкновения с поверхностью слишком велика, то вода, не успевшая достаточно быстро утечь из-под вас, толкнет вас в ответ. Именно эта сила вызывает жжение на коже, когда вы неудачно – на живот – прыгаете в бассейн, и делает падение в воду с большой высоты подобным приземлению на асфальт. Из-за несжимаемости воды волны могут иногда обретать громадную разрушительную мощь и способны в случае цунами сносить здания и разрушать города, а машины бросать играючи, как щепки. Например, в 2004 г. землетрясение в Индийском океане вызвало серию цунами, ставших причиной гибели двухсот тридцати тысяч человек в четырнадцати странах. Эта природная катастрофа стала восьмой по разрушительности из всех зарегистрированных в истории человечества.

Еще одно опасное свойство жидкостей – способность взрываться. Когда я начинал работу над своей докторской диссертацией в Оксфордском университете, мне приходилось готовить небольшие образцы для электронного микроскопа. Помимо прочего, этот процесс предполагал охлаждение жидкости – раствора для электрохимической полировки – до температуры –20°C. Это была смесь бутоксиэтанола, уксусной кислоты и хлорной кислоты. Другой аспирант из той же лаборатории, Энди Годфри, показал мне, как это делается, и я считал, что вполне освоил процесс. Но через несколько месяцев Энди заметил, что во время электрохимической полировки я нередко позволяю раствору слегка нагреться. «Я не стал бы так делать», – сказал он, заглянув однажды мне через плечо и удивленно подняв брови. Я спросил почему, и он указал мне на висевшее в лаборатории руководство по химической безопасности.

Хлорная кислота агрессивна и разрушительна для тканей человеческого тела. Она может быть опасна для здоровья при вдыхании, проглатывании, попадании на кожу и в глаза. При нагреве до температуры выше комнатной или использовании в концентрации выше 72 % (при любой температуре) хлорная кислота становится сильным окислителем. Органические вещества особенно подвержены спонтанному возгоранию в смеси или при контакте с хлорной кислотой. Ее пары могут образовывать в трубопроводах системы вентиляции перхлораты, чувствительные к ударным нагрузкам.

Иными словами, она может взорваться.

При осмотре лаборатории я нашел много похожих прозрачных бесцветных жидкостей, большинство из которых невозможно было отличить друг от друга. Так, мы использовали в работе плавиковую кислоту, которая мало того что способна проесть себе дорогу сквозь бетон, металлы и плоть, но и является контактным ядом, подавляющим функцию нервной системы. У этого свойства есть одно коварное следствие: человек не чувствует, как кислота сжигает его. Случайный контакт, который легко не заметить, – и она будет постепенно проедать кожу.

Спирт тоже вполне укладывается в категорию ядов. Может быть, таковым он становится только в больших дозах, но в целом он убил намного больше людей, чем плавиковая кислота. Тем не менее он играет громадную роль в обществе и в самых разных культурах по всему земному шару. В разные эпохи его использовали как антисептик, противокашлевое средство, противоядие, транквилизатор и топливо. Главное привлекательное свойство спирта – то, что он угнетает нервную систему. Это психотропное вещество. Многие жить не могут без ежедневного бокала вина, а большинство общественных событий вращается вокруг мест, где подают алкоголь. Мы, может, не доверяем (и справедливо) этим жидкостям, но все равно любим их.

Мы ощущаем физиологическое действие спирта, когда он всасывается в кровоток. Стук нашего сердца – постоянное напоминание о той роли, которую играет кровь в человеческом организме, и о том, что она должна непрерывно циркулировать в нем: мы живем благодаря мощи насоса, а когда перекачивание крови прекращается, умираем. Из всех жидкостей кровь, безусловно, одна из самых жизненно важных. К счастью, сердце сегодня можно заменить, шунтировать или починить как в теле, так и вне его. Саму кровь можно добавлять и извлекать, хранить, передавать от человека к человеку, замораживать и возвращать к жизни. И правда, если бы у нас не было запасов крови, то каждый год умирали бы миллионы людей, которые подвергаются хирургическим операциям, получают ранения в зонах боевых действий или попадают в автокатастрофы.

Но кровь может быть заражена инфекциями, такими как ВИЧ или гепатит, так что она способна не только исцелить, но и нанести вред. Значит, мы должны всегда учитывать ее двойственный характер (это верно и для всех других жидкостей). Важный вопрос не в том, можем ли мы доверять какой-то конкретной жидкости, хороша она или дурна, полезна или ядовита, вкусна или отвратительна; скорее в том, достаточно ли хорошо мы понимаем ее, чтобы использовать ее в своих интересах.

Нет лучшего способа проиллюстрировать мощь и радость от управления жидкостями, чем рассмотреть подробно те из них, с которыми мы имеем дело во время полета на самолете. Поэтому в книге речь пойдет о трансатлантическом перелете и всех тех странных и чудесных жидкостях, которые были в нем задействованы. Сам я летел потому, что умудрился не взорвать себя во время работы над диссертацией, но продолжил заниматься материаловедением и со временем стал директором Производственного института (Institute of Making) при Университетском колледже в Лондоне. Наши исследования посвящены, в частности, тому, как жидкости могут притворяться твердыми телами. Например, битумная основа, из которой делаются дороги, как и арахисовая паста, жидкость, хотя и твердая на вид. В связи с нашими исследованиями мы получаем немало приглашений на конференции по всему миру, куда приходится путешествовать на самолетах, и эта книга – рассказ об одном таком перелете из Лондона в Сан-Франциско.

Полет наш описан в книге языком молекул, сердечного ритма и океанских волн. Моя цель – раскрыть загадочные свойства жидкостей и показать, как мы научились полагаться на них. Маршрут наш пройдет над вулканами Исландии, замерзшими просторами Гренландии, россыпью озер вокруг Гудзонова залива, а затем повернет на юг вдоль побережья Тихого океана. Это достаточно разнообразный фон, чтобы поговорить о жидкостях в разных масштабах – от океанов до капелек в облаках, – рассмотрев параллельно занятные жидкие кристаллы в бортовой мультимедийной аппаратуре, напитки, предлагаемые стюардами авиалинии, и, конечно, авиационное топливо, которое позволяет удерживать самолет в стратосфере.

В каждой главе я рассматриваю отдельную часть полета и свойства жидкостей, которые сделали его возможным: в частности, их способности воспламеняться, растворяться или бродить и т. п. Я показываю, как капиллярное впитывание (поднятие), каплеобразование, вязкость, растворимость, давление, поверхностное натяжение и многие другие странные свойства жидкостей позволяют нам летать вокруг земного шара. Параллельно я рассказываю, почему жидкости текут вверх по стволу дерева, но вниз по склону холма; почему нефть липкая, как волны умудряются проходить такие расстояния, почему одежда сохнет, как жидкости могут быть кристаллами, как не отравиться при изготовлении самогона… и, возможно, главное: как приготовить чашку идеального чая. Так что приглашаю вас в этот перелет вместе со мной и обещаю необычное и чудесное путешествие.

Глава 1. Взрывчатые

Как только двери самолета закрылись и мы отъехали от зоны посадки аэропорта Хитроу, голос в динамиках объявил о начале предполетного инструктажа по безопасности.

– Добрый день, дамы и господа, мы приветствуем вас на борту нашего лайнера British Airlines, отправляющегося рейсом в Сан-Франциско. Перед отправлением просим вашего внимания. Наш экипаж в салоне расскажет о том, что важно знать о безопасности на борту нашего воздушного судна.

Меня всегда смущает такое начало полета. Я убежден, что это фальшивка и предполетный инструктаж не имеет на самом деле никакого отношения к безопасности. Во-первых, в нем никогда не упоминаются десятки тысяч литров авиационного топлива на борту. Именно громадное количество энергии, заключенное в этой жидкости, позволяет нам летать; именно ее пламенная природа придает реактивным двигателям лайнера мощь и способность (в нашем случае) взять четыреста пассажиров в 250-тонном самолете, стоящем на полосе, и за несколько минут разогнать всё это до крейсерской скорости 900 км/ч и поднять на высоту 12 000 м. Потрясающая мощь этой жидкости питает самые безумные наши мечты. Она позволяет нам взмывать над облаками и достигать любой точки земного шара за несколько часов. Именно это вещество доставило первого космонавта планеты Юрия Гагарина на ракете в космос, и именно на нем работают ракеты последнего поколения компании SpaceX, которые выбрасывают спутники за пределы атмосферы. Это вещество называется керосин.

Керосин – прозрачная бесцветная жидкость, которая выглядит в точности как вода, и это сбивает с толку. Где же в ней вся эта скрытая энергия и мощь? Почему присутствие в этой жидкости громадного количества нерастраченной энергии не делает ее на вид, скажем, более густой и опасной? И почему ее никогда не упоминают во время предполетного инструктажа по безопасности?

Структура углеводородной молекулы керосина

Если включить увеличение и взглянуть на керосин на атомном уровне, то можно увидеть, что по структуре его молекула напоминает спагетти. Основа, «хребет» каждой нити состоит из атомов углерода, соединенных в цепочку, где каждый атом связан со следующим. К каждому атому углерода прикреплены два атома водорода (только на концах молекулы – по три). В таком масштабе отличить керосин от воды нетрудно. Вода не имеет нитевидной структуры, это скорее хаотичное скопление маленьких V-образных молекул (один атом кислорода связан с двумя атомами водорода, H₂O). В таком масштабе керосин больше похож на оливковое масло, которое тоже состоит из спутанных нитевидных молекул на основе углерода. Но если в керосине нити больше напоминают спагетти, то в оливковом масле они ветвистые и перекрученные.

Поскольку молекулы оливкового масла имеют более сложную форму, чем молекулы керосина, им сложнее протискиваться друг мимо друга, поэтому и течь этой жидкости труднее – иными словами, оливковое масло отличается большей вязкостью, чем керосин. То и другое – масло, и на атомном уровне они выглядят похоже, но из-за структурных различий оливковое масло густое, а керосин льется совсем как вода. Это различие определяет не только вязкость этих масел, но и степень их воспламеняемости.

Персидский врач и алхимик ар-Рази в IX в. написал об открытии керосина в своей «Книге тайн». Он заинтересовался естественными источниками в своем регионе, из которых текла не вода, а густая черная едкая жидкость. В те времена это похожее на гудрон вещество брали из источников и использовали на дорогах, преимущественно как покрытие. Чтобы проанализировать черное земляное масло, ар-Рази разработал особые химические процедуры, которые мы сегодня называем перегонкой. Он нагревал масло и собирал газы, которые из него выделялись. Затем он вновь охлаждал их, после чего они превращались обратно в жидкость. Первые жидкости, которые он выделил таким образом, были желтыми и маслянистыми, но после многократной перегонки они становились светлым, прозрачным и свободнотекущим веществом. Так ар-Рази открыл керосин.

Он не мог знать подлинных масштабов всего того, что открытая им жидкость принесет в этот мир, но он знал, что она горюча и дает бездымное пламя. Сегодня это открытие может показаться тривиальным, но во всех древних цивилизациях проблема внутреннего освещения стояла очень остро. Самой сложной технологией того времени были масляные лампы, но до ар-Рази горящее в лампе масло давало едва ли не больше сажи, чем света. Бездымные лампы стали бы поистине революционным новшеством – настолько, что его важность увековечена в истории про Аладдина из «Сказок тысячи и одной ночи». Герой находит волшебный предмет – масляную лампу. Стоит потереть ее, и оттуда появляется могущественный дух. Духи часто встречаются в мифах того времени и описываются как существа, состоящие из бездымного пламени; джинн из сказки обязан исполнять приказы владельца лампы. Это колоссальная сила. Значимость новой открытой жидкости и ее способность давать бездымное пламя не могли ускользнуть от внимания алхимика ар-Рази. Почему же персы не начали пользоваться ею? Ответ отчасти связан с той ролью, которую играли оливковые деревья в их экономике и культуре.

В IX в. персы заливали в лампы оливковое масло. Там прекрасно росли устойчивые к засухе оливковые деревья, плоды которых можно было использовать для производства масла. Примерно из двадцати оливок получалась чайная ложка масла, на которой типичная для того времени масляная лампа могла целый час гореть и давать свет. Так что, если средней семье требовалось пять часов света каждый вечер, она должна была тратить по сто оливок в день – или примерно тридцать шесть тысяч в год на каждую лампу. Чтобы производить достаточно масла для освещения империи, персам нужно было много земли и времени: оливковые деревья, как правило, первые двадцать лет не дают плодов. Кроме того, приходилось защищать свои земли от всякого, кто мог покуситься на этот ценный ресурс, – а значит, нужны организованные города, которые требовали еще больше оливок, чтобы масла хватало всем и для приготовления пищи, и для освещения домов. Чтобы содержать армию, надо было платить налоги, в Персии это зачастую означало передачу правительству определенной части полученного с урожая оливкового масла. Сами видите: оливковое масло играло центральную роль в обществе и культуре Персии, как и других ближневосточных цивилизаций, пока им не удавалось найти альтернативный источник энергии и налоговых поступлений. Эксперименты ар-Рази доказали, что он буквально под ногами, но там ему и суждено было оставаться еще тысячу лет.

Копия древней масляной лампы, использовавшейся во времена ар-Рази

Тем временем масляные лампы развивались. Конструкция IX в. кажется простой, но на самом деле она замечательно хитроумна. Представьте себе чашу с оливковым маслом. Если вы просто попытаетесь поджечь его, то обнаружите, что это сложно. Оливковое масло имеет очень высокую точку возгорания – температуру, при которой оно начинает спонтанно реагировать с кислородом воздуха и вспыхивает. Для оливкового масла она составляет 315°C. Вот почему готовить на нем так безопасно. Если случайно разлить его на кухне, оно не загорится. Кроме того, чтобы зажарить большинство продуктов, достаточно довести их до температуры около 200°C, что всё еще на сто градусов ниже точки возгорания оливкового масла. Поэтому, когда на нем готовишь, масло практически не горит.

Но при температуре 315°C ваш горшок с оливковым маслом ярко вспыхнет, испустив много-много света. Мало того что это невероятно опасно, так и пламя быстро потухнет; оно очень скоро поглотит всё топливо. Возможно, вы подумали: наверняка есть лучший способ жечь оливковое масло для освещения. Вы правы. Если взять кусок веревки и погрузить его в масло, оставив кончик торчать над поверхностью, а затем поджечь, на конце веревки возникнет яркий огонек, а весь горшок нагревать не придется. Горит при этом не веревка, а масло, выступающее на ней. Это весьма изобретательно, но дальше еще лучше. Если оставить веревку гореть, то окажется, что пламя не спускается по ней в масло – наоборот, масло взбирается по ней и вспыхивает только после того, как доберется до самого верха. Такая система способна поддерживать горение часами – ровно до тех пор, пока в чаше есть масло. Всё дело в процессе, который называется капиллярным поднятием и кажется чудесным: масло, оказывается, способно преодолевать тяготение и двигаться независимо. Но на самом деле это базовое свойство жидкостей, возможное потому, что они обладают так называемым поверхностным натяжением.

Способность течь придает жидкостям их структура: это промежуточное состояние между хаосом газов и молекулярной решеткой твердых тел. В газах молекулы обладают достаточной тепловой энергией, чтобы отрываться друг от друга и двигаться независимо. Это придает им динамичность – они расширяются, пока не займут весь свободный объем, – но в них нет почти никакой структуры. В твердых телах сила притяжения между атомами и молекулами намного превышает их тепловую энергию, заставляя их держаться вместе. Поэтому у твердых тел жесткая структура, но малая автономность молекул: когда вы берете со стола чашу, все ее атомы движутся вместе, как единый объект. Жидкости – промежуточное состояние между тем и другим. У атомов в них достаточно тепловой энергии, чтобы разорвать некоторые связи с соседями, но недостаточно, чтобы разорвать их все и стать газом. Они заперты в жидкости, но способны свободно двигаться в ее пределах. Это форма материи, в которой молекулы свободно плавают, образуя и разрывая связи друг с другом.

Среда, в которой существуют молекулы на поверхности жидкости, отличается от той, в которой существуют молекулы внутри ее. Молекулы на поверхности не окружены со всех сторон другими молекулами той же жидкости и поэтому образуют в среднем меньше связей, чем те, что находятся в толще жидкости. Неуравновешенность сил между поверхностью жидкости и ее толщей порождает напряжение – силу поверхностного натяжения. Она очень невелика, но достаточна, чтобы противодействовать силе тяготения для небольших объектов. Вот почему некоторые насекомые способны гулять по поверхности водоемов.

Водомерка на поверхности воды. © Alice Rosen

Посмотрите внимательно, как водомерка «ходит» по воде, и вы заметите, что та отталкивает ножки насекомого. Причина в том, что поверхностное натяжение между водой и ножками насекомого порождает силу отталкивания, которая противодействует тяготению. Некоторые виды взаимодействия жидкости и твердого тела имеют противоположный результат: они порождают силу молекулярного притяжения. Это относится, в частности, к воде и стеклу. Если взять в руку стакан с водой, можно увидеть, что ее край у границы со стеклом слегка приподнимается. Он называется мениском, и это тоже результат действия силы поверхностного натяжения.

Растения освоили этот фокус. Они втягивают воду наверх вопреки силе тяготения, из земли в свои тела, при помощи системы крохотных трубочек, которые проходят сквозь их корни, стебли и листья. Когда они становятся микроскопическими, отношение площади внутренней поверхности к объему жидкости увеличивается и описанный эффект усиливается. Потому-то производители продают тряпки для мытья окон из «микрофибры», в которой есть микроканалы, аналогичные микроканалам растений. Они всасывают воду, позволяя тряпке очищать стекло эффективнее. Мы можем вытирать пролитую жидкость с помощью кухонных салфеток благодаря тому же механизму. Всё это примеры капиллярного всасывания (капиллярного поднятия), того самого, что возникает под действием силы поверхностного натяжения и позволяет маслу взбираться вверх по веревке – точнее, по фитилю.

Без капиллярного поднятия свечи не могли бы гореть. Когда вы поджигаете фитилек, жар огня расплавляет вещество вокруг и создает лужицу расплавленного воска. Он поднимается по фитильку через микроканалы к пламени. Так он питает пламя новыми порциями жидкого воска, который и сгорает. Если подобрать для фитиля подходящий материал, пламя будет достаточно горячим, чтобы поддерживать существование лужицы жидкого воска и обеспечивать постоянный приток топлива. Эта обманчиво сложная система саморегулирующаяся и требует так мало внимания и вмешательства, что мы давно уже не воспринимаем свечи как техническое устройство, хотя, строго говоря, именно таковыми они и являются.

Тысячи лет по всему земному шару капиллярное поднятие было главным механизмом внутреннего освещения – и в свечах, и в масляных лампах. Без этих двух устройств мир по ночам погружался в темноту и мрак. Вполне ожидаемо, что лампы были популярны там, где в изобилии имеется какое-либо масло, а свечи – там, где проще было достать воск или животный жир. Однако, несмотря на хитрое устройство, у свечей и масляных ламп были свои недостатки: помимо их пожароопасности, еще и сажа, малая яркость пламени, запах и цена. Поэтому всегда находились люди, которые занимались поиском лучших, более дешевых и безопасных способов внутреннего освещения. Открытие Мухаммадом ар-Рази керосина в IX в. могло бы стать решением проблемы, если бы кто-нибудь до этого додумался.

Предполетный инструктаж по безопасности на борту авиалайнера был в разгаре, и теперь бортпроводники тоже игнорировали значение керосина. До сих пор его ни разу не упомянули, хотя в тот самый момент эту замечательную штуку впрыскивали в реактивные двигатели под крыльями лайнера, чтобы они вывели его на взлетную полосу. А бортпроводники говорили о том, что делать в случае «разгерметизации салона». Я, как англичанин, могу по достоинству оценить, мягко говоря, сдержанность этой фразы. Звучит не особенно впечатляюще, и кажется, что тут нет ничего страшного; на самом же деле, если во время крейсерского полета на большой высоте в обшивке салона внезапно появится дырка или трещина, из него будет быстро высосан воздух вместе со всеми, кто окажется в этот момент не пристегнут к креслу. После этого кислорода в воздухе останется недостаточно для нормального дыхания – отсюда маски, автоматически падающие с потолка. Самолет при этом должен немедленно начать крутой спуск на меньшие высоты, где кислорода в воздухе больше. И тогда каждый, кто доживет до этого момента, бесспорно, будет уже в безопасности.

Недостаток кислорода был серьезной проблемой и для древних масляных ламп. Их конструкция не обеспечивала приток к горящему фитилю количества кислорода, достаточного для полного сгорания топлива, и пламя лампы давало относительно мало света. Это было проблемой до XVIII в., когда швейцарский ученый по имени Ами Арганд изобрел новый тип масляной лампы, где фитиль в форме рукава был защищен прозрачным стеклом. Лампа была устроена так, что воздух мог проходить сквозь середину кольцевого пламени, и поступление кислорода к огню – а значит, эффективность и яркость устройства – радикально улучшились. Такая лампа по светимости была эквивалентна шести или семи свечам. Это изобретение повлекло множество других новшеств, и со временем стало ясно, что оливковое масло, как и другие растительные масла, – не идеальное топливо. Для более яркого света нужны более высокие температуры, для них – более быстрое капиллярное поднятие, а его скорость определяется поверхностным натяжением и вязкостью жидкости. Попытки найти дешевые масла с низкой вязкостью вдохновили ученых на множество экспериментов и, как ни печально, вызвали гибель множества китов.