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

Подобно вязкости, поверхностное натяжение относится к числу явлений, наблюдаемых в повседневной жизни (то есть в макромире), хотя в большинстве случаев играет менее важную роль, чем гравитация и инерция. Но при переходе на уровень микромира его роль и место в иерархии сил существенно возрастают. Оно объясняет, почему запотевают очки и почему мы можем вытереть руки полотенцем. Но подлинная прелесть микромира заключается в том, что внутри одного гигантского объекта может происходить множество мельчайших процессов, причем их результаты суммируются. Например, оказывается, поверхностное натяжение, которое в тех или иных ситуациях доминирует лишь на микроуровне, обусловливает существование самых массивных живых существ на планете. Но чтобы обсудить эту тему, нам нужно рассмотреть еще один его аспект. Что происходит, когда поверхность, разделяющая газ и жидкость, ударяется о твердый предмет?

Мой первый опыт плавания на открытой воде оказался из разряда «не для слабонервных». К счастью, я ничего не знала об этом заранее, поэтому ни о чем не беспокоилась. Когда я работала в Институте океанографии Скриппса в Сан-Диего, крупным ежегодным событием для моей команды пловцов был заплыв с берега Ла-Джолла до пирса института и обратно – 4,5 километра через достаточно глубокий морской каньон. Вообще говоря, раньше мне приходилось плавать только в бассейнах, но поскольку я всегда готова испытать себя на прочность, а в плавательных бассейнах я «намотала» не одну сотню километров, я согласилась участвовать в заплыве, надеясь, что буду выглядеть ничуть не хуже остальных. Наш массовый вход в воду напоминал момент открытия супермаркета бытовой электроники в день распродажи по сниженным ценам. Но после этого стало немного легче. Первая часть заплыва проходила через заросли бурых водорослей; я казалась себе птицей, порхающей между густыми кронами деревьев. Солнечные лучи с трудом могли пробиться сквозь эти заросли. Затем водоросли исчезли. Зная примерно глубину океана в этих местах, я могла лишь догадываться, какие морские твари проплывают где-то очень глубоко подо мной – так глубоко, что туда едва проникает солнечный свет. После того как мы миновали зону бурых водорослей, водная поверхность покрылась зыбью, и мне пришлось сосредоточиться на том, куда мы плывем. Плыть становилось все труднее, а пирс института едва угадывался на горизонте. Вода подо мной была настолько непроницаемой, что было нереально в ней что-либо разглядеть. В конце концов я поняла, почему с таким трудом воспринимаю окружающую обстановку: мои плавательные очки запотели. Ох-ох-ох…

Внутри плавательных очков пот испарялся с теплой кожи вокруг глаз. Чем усерднее я двигала руками и ногами, тем сильнее он испарялся. Воздух, заключенный между очками и охватываемой ими частью лица, представлял собой нечто вроде мини-сауны, теплой и насыщенной влагой. Но океан вокруг был прекрасным и холодным, поэтому мои плавательные очки охлаждались снаружи. Когда молекулы воды, содержащиеся в воздухе, ударялись о холодный пластик, они отдавали свое тепло и конденсировались, снова становясь жидкостью. Но проблема заключалась не в этом, а в том, что все эти молекулы воды находили друг друга внутри очков, соударялись и гораздо больше притягивались друг к другу, чем к пластику. Поверхностное натяжение втягивало их внутрь, заставляя собираться в крошечные капельки – так, чтобы площадь их поверхности была как можно меньшей. Каждая такая капелька имела крошечные размеры – возможно, 10–50 микрон в диаметре. Так что сила земного притяжения была незначительной по сравнению с силами поверхностного натяжения, сцепляющими капельки с пластиком. Не было никакого смысла ждать, пока они упадут сами собой.

Каждая такая крошечная капелька действовала подобно линзе, преломляющей и отражающей падающий на нее свет. Когда я поднимала голову, чтобы отыскать глазами пирс, свет, который попадал мне прямо в глаза, искажался этими капельками. Подобно крошечному домику с зеркальными стенами, они настолько искажали изображение, что не было никакой возможности уяснить окружающую меня обстановку. Я остановилась на несколько секунд, чтобы промыть очки, и в течение какого-то времени имела четкое представление о ситуации и местоположении пирса. Но вскоре очки снова запотели. Опять их промыла. Через какое-то время перед глазами снова туман. Опять промывание. Снова туман… В конце концов я пристроилась в кильватере одной из пловчих, на которой была ярко-красная шапочка для плавания. Эта шапочка и стала для меня надежным ориентиром, несмотря на запотевшие очки.

Доплыв до пирса, мы ненадолго там остановились, чтобы подождать отставших пловцов и выяснить, все ли у них в порядке. Получив эту небольшую паузу для размышления, я наконец вспомнила то, чему примерно за неделю до описываемых событий меня учил один опытный аквалангист: нужно плюнуть в очки и растереть слюну по внутренней поверхности пластика. Тогда в ответ я скривилась, но сейчас мне не хотелось весь обратный путь через подводный каньон преодолевать практически вслепую, поэтому последовала совету аквалангиста. Обратный путь произвел на меня совершенно другое впечатление. Отчасти потому, что пловчиха в красной шапочке решила существенно прибавить в скорости и мне приходилось напрягать все силы, чтобы не отстать от нее. Но главное – на сей раз я могла видеть все, что меня окружало: пловцов, водоросли, берег, к которому мы плыли, и любопытных рыб, появляющихся время от времени. Действие человеческой слюны в какой-то степени схоже с воздействием моющего средства: она снижает поверхностное натяжение. Под моими очками по-прежнему образовывалась мини-сауна, и вода все еще конденсировалась на внутренней поверхности пластика, но поверхностное натяжение уже не было настолько сильным, чтобы этот конденсат превращался в маленькие капельки-линзы. Поэтому он равномерно распределялся по внутренней поверхности пластика и представлял собой тонкую водяную пленку. Ввиду отсутствия крошечных капелек-линз на внутренней поверхности пластика никаких дополнительных преломлений и искажений света не происходило, и у меня перед глазами все время стояла четкая картина окружающей обстановки. Оказавшись снова на берегу, я, с одной стороны, испытала огромное физическое облегчение, вызванное завершением нашего плавательного марафона, а с другой – порадовалась не только новым впечатлениям от картин подводного мира, но и пополнению копилки полезного жизненного опыта.

Есть один надежный способ воспрепятствовать образованию запотевания – создать на поверхности тонкий слой поверхностно активного вещества (сурфактанта). Для этого можно использовать разные вещества: слюну, шампунь, крем для бритья или дорогостоящий коммерческий антифог. Если тонкий слой поверхностно активного вещества нанесен, то любая вода, которая конденсируется на этой поверхности, будет тотчас же им покрыта. Создавая такое покрытие, вы ослабляете поверхностное натяжение, в результате чего огромное множество крошечных капелек тумана превращается в тонкий слой воды, равномерно покрывающий всю защищаемую поверхность. Вода может сцепляться со всей внутренней поверхностью очков, пока отсутствуют силы, способные воздействовать на молекулы воды. Поверхностное натяжение – единственная другая сила, оказывающая такое воздействие, и если вам удается ее ослабить, проблема решается сама собой[30].