Текст книги "Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого"

Один или два?

«Специалисты советуют заново кипятить воду каждый раз при заваривании чая или приготовлении кофе. Почему? Чем плоха вода, которую вскипятили дважды? Неужели кто-нибудь замечает разницу?»

Айвор Уильямс

Оукхемптон, Девон, Великобритания

Заново вскипяченная вода для заваривания чая подходит лучше, чем та, которую вскипятили дважды, потому что в свежей воде больше кислорода. Чай получается вкуснее, из заварки выделяется больше вкусовых компонентов.

Это легко продемонстрировать, если положить тщательно отмеренное количество заварки в два толстостенных стакана и залить один из них водой, которую вскипятили один раз, а другой – водой, вскипяченной дважды. Через три минуты внимательно рассмотрите содержимое обоих стаканов: в единожды вскипяченной воде чай настоится гораздо лучше.

Дж. Р. Стаффорд

Marks & Spencer,

Лондон, Великобритания

В детстве мне объясняли, что от свежей воды чай вкуснее потому, что в ней больше растворенного кислорода. В застоявшейся или перекипяченной воде меньше растворенного кислорода. В Стандарте Великобритании 6008, в котором подробно описан процесс заваривания чая, сказано, что вода должна быть только что вскипевшей, но сколько раз – не указывается. Там же написано, что в первую очередь надо наливать в чашку молоко, чтобы не пострадала глазурь.

Поскольку этот Стандарт Великобритании идентичен международному (ISO 3103), остается лишь удивляться тому, что за границей невозможно найти чашку прилично заваренного чая.

Н. С. Фрисуэлл

Хоршем, Западный Суссекс, Великобритания

Необходимость заливать листья чая заново вскипяченной водой обычно объясняют тем, что при продолжительном кипячении теряется растворенный кислород и вкус чая получается невыразительным. Мои эксперименты с водой, которая кипела в течение часа, и только что вскипяченной водой показали, что разница между ними практически незаметна. В обоих случаях заваривался и настаивался в течение пяти минут высококачественный чай.

Я удивился, если бы повторное кипячение воды имело хоть какое-нибудь практическое значение для заваривания чая в пакетике.

Дэвид Эдж

Хаттон, Дербишир, Великобритания

Вижу, по меньшей мере одного читателя так и не удалось убедить в необходимости заново кипятить воду для чая.

Однажды, в экстренном порядке отправившись за границу, мы получили указание кипятить в течение нескольких минут всю воду, предназначенную для питья. На вкус чая это не повлияло. Но мы решили воспользоваться домашней скороваркой, чтобы поднять температуру воды выше уровня кипения и тем самым тщательно простерилизовать ее. Такая вода годилась для питья и приготовления пищи, но чай из нее оказался отвратительным.

С другой стороны, мне доводилось пить чай на высоте 2100 метров над уровнем моря, где, разумеется, температура кипения ниже 100 °C, и я не заметил разницы во вкусе. И мой хозяин, владелец чайной плантации, никак это не прокомментировал.

Если не принимать во внимание эксперимент со скороваркой, я считаю гораздо более важным фактором продолжительность заваривания чая.

А. С. Ротни

Ист-Гринстед, Суррей, Великобритания

А. С. Ротни будет удивлен, но его (или ее) блестящая скороварка стала причиной отвратительного вкуса чая. Причина изменения вкуса – растворенный в воде алюминий, а не высокая температура, воздействию которой подверглась вода. Когда чайники делали из алюминия, к ним прилагали инструкцию, в которой рекомендовали несколько раз прокипятить в чайнике свежую воду, каждый раз выливая ее. Только после этого следовало вскипятить воду для чая. Во время повторного кипячения тусклая патина оксидов образуется внутри чайника и мешает воде растворять чистый алюминий.

Лорна Инглиш

Лондон, Великобритания

Заваривание чая свежей водой не имеет никакого отношения к кислороду: оно связано с растворением солей металлов (преимущественно двууглекислого магния и кальция, сульфатов и хлоридов), которые содержатся в воде из-под крана и влияют на цвет и вкус чая.

Зависимость цвета чая от солей металлов можно продемонстрировать, сравнив чай на заново вскипяченной воде (деионизированной или талой из морозилки) с чаем на воде из-под крана. Соли в воде из-под крана придают чаю более темный оттенок, напиток выглядит мутным из-за осадков нерастворимых солей, таких как таннаты.

При кипячении воды из-под крана дестабилизируется состояние бикарбонатов (так называемая временная, или карбонатная жесткость), которые выпадают в осадок как нерастворимые карбонаты при охлаждении (поэтому со временем чайник покрывается изнутри накипью). В районах, где вода жесткая и в ней присутствует больше растворенных солей, повторное кипячение и охлаждение позволяют удалить из воды достаточное количество солей магния и кальция, хотя длительное кипячение без охлаждения почти не дает эффекта.

Из неоднократно вскипяченной и охлажденной воды чай получается менее вкусным по трем причинам. Во-первых, часть выпавших в осадок карбонатов остается в нем даже после повторного кипячения в виде суспензии, которая выглядит как белая пена (она наиболее заметна в новых пластиковых чайниках), и этот вкус более заметен, чем вкус бикарбонатов, растворенных в воде, особенно когда пена взаимодействует с чаем.

Во-вторых, соли в воде, которые не дестабилизируются при кипячении (так называемая некарбонатная, или постоянная жесткость), постепенно концентрируются в процессе испарения и придают напитку неприятный вкус.

И наконец, незначительные, следовые количества металлов (железа или меди) могут накапливаться в воде при неоднократном кипячении, взаимодействовать с кислородом и восстановительными веществами в чае (фенолами) в ходе сложных окислительно-восстановительных реакций, чем еще больше портят вкус.

М. В. Уэринг

Брейнтри, Эссекс, Великобритания

У меня зависимость от кофеина, без чая я могу обойтись всего один день, потом начинаются сильные головные боли. Чтобы сберечь топливо в пеших походах, продолжающихся несколько дней, я пытался на несколько часов оставлять чайный пакетик в бутылке с холодной водой. Способ сработал: я не просто получил дозу кофеина – напиток имел вкус чая, хотя и холодного. Правда, я еще не пробовал сделать холодный настой, а затем подогреть его в микроволновке, но, думаю, чай получится приемлемый.

Сид Кертис

Хауторн, Квинсленд, Австралия

На самом деле А. С. Ротни заблуждается.

Мой отец был дегустатором чая, он всегда сразу замечал, если мы кипятили воду для чая слишком долго. Как это ему удавалось?

Жесткая вода – а в большинстве случаев в воде присутствуют соли минералов в растворенном виде, повышающие жесткость, – закипает медленнее, чем мягкая или щелочная вода. Если кипятить жесткую воду значительно дольше стандартных полутора минут, внутри на чайнике осядет больше растворенных солей. В результате вода получится более мягкой, чем ожидалось, и лишенной того баланса свойств, на который рассчитывает дегустатор чая. Такой чай заварится быстрее и будет темнее по цвету, чем обычный.

Производители чая постоянно совершенствуют свою продукцию, делают купажи более гармоничными, подходящими для продажи в районах с разной жесткостью воды, даже если этикетка чая остается прежней. Жесткую воду можно искусственно смягчить с помощью бикарбоната натрия, но резкое изменение цвета и вкуса воды неприемлемо для большинства людей, в том числе дегустаторов чая.

Бернард Хаулетт

Лафтон, Эссекс, Великобритания

Молочная спираль

«Здесь, в Зимбабве, молоко продается в пластиковых пакетах. Большинство покупателей срезает уголок пакета, чтобы вылить молоко. Я заметил, что под давлением молоко вытекает из пакета спиралевидной струйкой. Так же ведут себя и другие жидкости. Какая сила заставляет изгибаться спиралью свободно падающую струйку? Я обратил внимание: чем меньше отверстие в пакете, тем больше витков у молочной спирали».

Дэвид Уайт

Чинои, Зимбабве

Спиральный эффект, который вы наблюдали, – лишь часть водоворота, возникающего в пакете при вытекании молока. Сила, которая заставляет молоко виться спиралью, называется кориолисовой. Она создает все вихревое вращение, какое можно увидеть. Такой же эффект возникает в картонных молочных пакетах и бутылках, но он менее заметен из-за формы поперечного сечения отверстий.

Когда молоко под давлением вытекает из пакета, а мы сжимаем пакет, тем самым мы увеличиваем скорость течения жидкости. При этом растет кориолисова сила, которая пропорциональна скорости объекта во вращающейся инерциальной системе координат, а также пропорциональна угловой скорости системы и расстоянию от объекта до оси вращения. Так возникает тугая спираль. По сути дела, молоко завинчивается под давлением.

Джон Лентон

Кордоба, Аргентина

Скручивание струйки молока, вытекающего из пакета, зависит в первую очередь от формы отверстия (обычно длинного и узкого), разницы давления на молоко с обеих сторон отверстия, силы поверхностного натяжения между молоком и стенкой пакета. Но кориолисова сила, на которую ссылался автор предыдущего ответа, тут ни при чем.

Кориолисова сила действительно существует. Поскольку Земля вращается, в жидкости, текущей по поверхности Земли, возникает кориолисово ускорение, перпендикулярное направлению скорости. В Северном полушарии кориолисово ускорение заставляет зоны низкого давления, ураганы, вращаться против часовой стрелки. Но в Южном полушарии тайфуны закручены по часовой стрелке из-за смены направления кориолисова ускорения.

Этот масштабный метеорологический эффект позволяет сделать вывод, что крошечный водоворот, возникающий в ванной, из которой выдернули пробку, к северу от экватора вращается в одну сторону, а к югу от экватора – в другую. Но это неверно. Кориолисова сила слишком мала, чтобы определять направление вращения водоворота в ванной и скручивания струйки молока, вытекающей из пакета.

Проявления этой силы можно заметить в воде только в условиях регулируемого эксперимента – например, в симметричной емкости с низким трением в случае жесткого контроля термических потоков, после того как вода день или более постояла в емкости и затихли все остаточные колебания, вызванные наполнением.

Реймонд Холл

По электронной почте, без обратного адреса

Ответ на вопрос не совсем корректен. Действительно, спираль вытекающего молока – частица водоворота, образующегося внутри пакета, но автор ответа ошибся, полагая, что сам водоворот возникает из-за эффекта Кориолиса.

На самом деле причина – «эффект фигуриста». Любое воздействие на пакет с молоком приводит содержащуюся в нем жидкость в движение в том или ином направлении. Когда жидкость вытекает через отверстие, в ней сохраняется угловой момент. Это значит, что струйка небольшого диаметра вращается быстрее – так фигуристы ускоряют вращение, прижимая руки к телу. Вот почему молочная спираль, вытекающая из маленьких отверстий, скручена сильнее.

Соня Легг

Калифорния, США

Целься! Лей!

«Когда я открываю картонный пакет молока, мне приходится быстро наклонять его, чтобы наполнить стакан. Если наклонять пакет слишком медленно, молоко вытечет из пакета, получится лужа. Так же обстоит дело с апельсиновым соком и другими жидкостями. Почему при медленном наливании струйка течет по пакету?»

Том Хан

Брэдфорд, Западный Йоркшир, Великобритания

Когда мы наклоняем пакет с жидкостью, чтобы налить ее в стакан, свободная поверхность жидкости в пакете поднимается в сторону отверстия. При этом возникает перепад давлений между свободной поверхностью и отверстием, благодаря чему жидкость вытекает из пакета. Вдобавок к давлению есть также силы поверхностного натяжения, действующие на жидкость и подтягивающие ее к поверхности пакета. При высокой скорости вытекания давление гораздо больше силы поверхностного натяжения, и жидкость вытекает из пакета, как положено, образуя предсказуемую изогнутую (параболическую) струю, падающую в подставленный стакан.

Но при низкой скорости истечения наступает момент, когда сил поверхностного натяжения оказывается достаточно, чтобы изменить траекторию движения жидкости: она уже не падает из отверстия, а «прилипает» к поверхности пакета снаружи (при условии, что это картонная коробка с плоским верхом). Притянутая к поверхности струя жидкости останется таковой из-за сил поверхностного натяжения и явления, которое называется эффектом Коандэ. Он наблюдается, когда жидкость течет по выпуклой поверхности (например, вода из-под крана огибает поверхность ложки) и создает внутреннее давление, вызывающее «прилипание» струи к поверхности.

Совместного действия сил поверхностного натяжения и эффекта Коандэ обычно достаточно, чтобы заставить струю жидкости огибать верхнюю поверхность коробки и стекать по ее боку, таким образом обеспечивая максимальное попадание жидкости из пакета вам на ноги.

Эксперименты показали: когда пакет полный, «подсасывание», наблюдаемое при втягивании воздуха взамен вытекшей жидкости, усиливает колебания струи и приводит к периодическому «прилипанию» струи (и увлажнению ног), даже при сравнительно большой скорости истечения.

Билл Кроутер

Аэрокосмическое отделение,

Университет Манчестера, Великобритания

Эффект Коандэ, или «прилипания», назван в честь румынского изобретателя Анри Коандэ (1886–1972), создавшего реактивный самолет с двумя камерами сгорания, по одной с каждой стороны фюзеляжа, направленными вниз и расположенными ближе к передней части самолета. К его ужасу, при взлете струи пламени, вместо того чтобы оставаться прямыми, «прилипли» к фюзеляжу до самого хвоста. Правда, благодаря этому эффекту имя изобретателя было увековечено.

Примерно 30 лет назад явление «прилипания» к стенкам было использовано при разработке автоматических систем управления (струйная техника), в которых маленькая струйка жидкости заставляла главный поток отклоняться от стенки и изменять направление движения. После этого поток «прилипал» к другой стенке.

Джон Уортингтон

Стоурбридж, Западный Мидлендс, Великобритания

Подробнее о Коандэ и первом настоящем реактивном самолете, созданном в 1910 году, можно узнать на сайте www.allstar.fiu.edu/aero/coanda.htm. В следующем ответе описывается простая демонстрация этого эффекта. – Ред.

Этот эффект возникает вследствие общего свойства текущих жидкостей обтекать поверхности и «прилипать» к ним. Можно провести любопытный эксперимент: возьмите вертикальный цилиндр (вымытую бутылку, например, из-под вина) и поместите за ним зажженную свечу. Если стукнуть по бутылке, свеча погаснет из-за потока воздуха, образовавшегося вокруг нее.

Ричард Ханн

Ипсвич, Суффолк, Великобритания

Два в одном

«Недавно я купил упаковку яиц, производители которых гарантировали, что в каждом яйце по два желтка. Они не обманули. Как сделать так, чтобы в яйце было два желтка?»

Джон Крокер

Солихалл, Западный Мидлендс, Великобритания

Эти яйца – природный феномен, которым мы не управляем. Двухжелтковые яйца крупнее тех, которые откладывает большинство птиц, их проверяют отдельно от остальных. Спрос на двухжелтковые яйца превышает предложение, нам приходится подвергать яйца тщательной проверке, чтобы убедиться, что в каждом имеется по два желтка. Каждое яйцо рассматривают на свету. При этом процессе (его до сих пор называют просвечиванием – еще с тех времен, когда источником света служили свечи) желтки отчетливо видны в виде теней.

Грэм Муир

Компания Stonegate Farmers Limited,

Хейлшем, Суссекс, Великобритания

Попробуйте повторить этот опыт в домашних условиях, и вы увидите все, что находится внутри яйца. – Ред.

Жареные факты

«Когда я рассматриваю поверхность масла в сковороде в отраженном свете, на поверхности масла, которое греется на газу, появляется узор, похожий на соты. Размер этих сот меньше всего там, где слой масла самый тонкий. Почему?»

Рекс Уотсон

Бродстоун, Дорсет, Великобритания

Похожие на соты ячейки, появляющиеся в нагретом масле, известны под названием конвективных ячеек Рэлея–Бенара. При небольшой разнице температур между нижним и верхним слоями масла тепло распространяется путем обычной теплопередачи (столкновение отдельных молекул) и никакого макроскопического движения не наблюдается. Если разница температур возрастает, конвекция (общее явление с участием множества молекул) становится более эффективным средством для переноса тепловой энергии. Нагретое масло на дне не такое плотное, оно стремится всплыть. Верхний слой масла охлаждается при контакте с воздухом и снова погружается. Это движение становится кругообразным, при нем возникают вальцы жидкости, которые сами упорядочиваются и образуют заметный узор, напоминающий соты.

Это явление было тщательно исследовано, тем более что повторить его можно в домашних условиях, поэтому теперь мы знаем, почему конвективные ячейки напоминают соты. Форма конвективных вальцов зависит от формы сосуда, в котором нагревается жидкость. В круглых сковородах легко образуются шестиугольные фигуры. В емкостях другой формы могут возникнуть удлиненные и прямоугольные вальцы с квадратным поперечным сечением.

При кругообразном движении жидкости (вверх, по поверхности, вниз, по дну) размер ячеек общего рисунка связан линейной зависимостью с толщиной слоя жидкости. Интересно, что если многие параметры можно определить, например размер конвективной ячейки, то направление кругообразного движения при возникновении конвекции остается неопределенным. После того как вращение установится (по часовой или против часовой стрелки), оно остается стабильным.

Бернд Эгген

Университет Эксетера,

Девон, Великобритания

Примерно через 20 минут после начала нагревания начинается по-настоящему интересная фаза конвекции. Перепады температур в слое масла достигают определенной критической величины, выясняется, что каждый из многочисленных рассеянных конвективных потоков в масле лучше сохраняет энергию, если делит зону нисходящего тока с непосредственными соседями. Сложности с противотоком исчезают. Такое совместное перераспределение очагов конвекции приводит к образованию рисунка плотных конвективных ячеек. Они имеют вид медовых сот для того, чтобы площадь соприкосновения со стенками соседних ячеек была максимальной.

Ввиду таких совместных действий ячеек конвекция значительно усиливается, восходящий поток горячего масла образует маленький фонтанчик в центре каждой ячейки. Сила, благодаря которой сохраняется рисунок ячеек, несмотря на механические и термические препятствия, – поток тепловой энергии, проходящий вверх через слой масла. Точно так же биологической системе необходимо распределение энергии (в данном случае пищевой) для сохранения целостности.

Существенный рост перепада температур приводит к распаду узора ячеек, этот процесс делится на несколько усложняющихся стадий и наконец становится хаотическим.

Роджер Керси

Натли, Восточный Суссекс, Великобритания

Можно теоретически доказать, что наиболее эффективный рисунок тока в жидкости с большой площадью поверхности, в слое которой происходит перенос тепла со дна вверх, – шестиугольники, ширина которых равна толщине слоя жидкости. Горячая жидкость поднимается в центре ячеек, остывает на поверхности и затем погружается на дно по периметру шестиугольника. Подобный узор ячеек можно увидеть в любом масштабе: от миллиметровых экспериментальных сосудов до поверхности Солнца.

Гэри Одди

Крэнфилд, Бедфордшир, Великобритания

Выше читатели уже дали ответы на вопрос, но, как указывает автор ответа, приведенного ниже, объяснения рэлеевской модели конвекции были не вполне корректными, поскольку эта модель применима лишь для нагревающейся жидкости достаточной глубины. – Ред.

Поведение горячего масла на сковороде – классический пример конвекции Бенара, нестабильного движения жидкости на нагреваемой ровной поверхности, которое приводит к образованию в циркулирующей жидкости правильных шестиугольных ячеек. Известно, что лорд Рэлей разработал теорию, объясняющую эту нестабильность. Но мало кто знает, что его теория была неверной.

Рэлей рассматривал горизонтальный слой жидкости на нагреваемой плоской поверхности и подразумевал, что нестабильность принимает форму параллельных, вращающихся в противоположные стороны вальцов, движимых силами плавучести ввиду разной плотности жидкости. Затем в ходе рассуждений он пришел к выводу, что размер шестиугольных ячеек близок – по счастливой случайности – к размеру ячеек, наблюдаемых Бенаром. Кроме того, Рэлей предсказал минимальный перепад температур в слое при возникновении этого движения, но он оказался примерно в 100 раз больше, чем перепад, который требовался для возникновения ячеечного потока в экспериментах Бенара.

Другие исследователи по-своему дополнили анализ Рэлея. Если не принимать верхнюю поверхность жидкости плоской, ясно, что она приподнята между соседними восходящими вальцами и понижена над нисходящими потоками жидкости. Это явление прямо противоположно тому, которое наблюдал Бенар. Когда эксперимент Бенара повторили, оказалось, что ячейки также могут возникать при охлаждении нагреваемой поверхности, в то время как, согласно Рэлею, при этом жидкость должна находиться в покое. Нестабильность также наблюдалась в слое жидкости под поверхностью, нагреваемой сверху, и в пространстве, где величина силы притяжения, а следовательно, и сила плавучести равнялась нулю.

В конце 50-х годов ХХ века была разработана новая модель конвекции Бенара, в которой жидкость приводило в движение изменение поверхностного натяжения, вызванное перепадами температуры на поверхности жидкости. Эта модель также позволяла предсказать понижение поверхности жидкости над восходящими потоками. В реальных условиях должны присутствовать оба эффекта – Бенара и Рэлея. Преобладание одного из них зависит от конкретных условий. Силы плавучести регулируют движение в жидкости, когда у нее нет свободной поверхности или когда слой жидкости толще 10 мм; в противном случае поток регулируют силы поверхностного натяжения.

Какие бы движущие силы ни преобладали, они должны быть достаточными, чтобы преодолеть сопротивление вязкости, препятствующее движению, и диффузию тепла внутри жидкости (которая сглаживает перепады температур) прежде, чем возникнет нестабильный поток. Для потоков, регулируемых силами плавучести, появление нестабильности определяется числом Рэлея: отношение сил плавучести к зависимости сопротивления вязкости от теплопереноса, в то время как для потоков, управляемых силами поверхностного натяжения, соответствующей переменной будет число Марангони, при котором силы поверхностного натяжения заменяют силы плавучести.

В тонких слоях жидкости нестабильный поток принимает форму правильных рядов шестиугольных ячеек независимо от формы сосуда. Для более толстого слоя жидкости основной нестабильный поток представляет собой ряд вальцов, параллельных сторонам сосуда, с направлением потока вдоль края и зависимостью от относительной температуры основания. Вальцы распадаются на многоугольные (не обязательно шестиугольные) ячейки при росте перепада температур.

Ричард Холройд

Кембридж, Великобритания