Помоги проекту - поделись книгой:
Если речь идет о продуктах питания, в настоящее время мы используем две единицы: калории и джоули. Первоначально количество энергии, содержащейся в пище, определялось примитивно: путем ее полного сжигания в закрытом контейнере и измерения сопутствующего повышения температуры в небольшом объеме воды. Вот откуда взялось понятие «калория». В 1824 году калорию утвердили в качестве единицы измерения тепла и установили величину одной калории: 1 калория эквивалентна тепловой энергии, необходимой для повышения температуры 1 грамма воды ровно на 1 °C. Таким образом, 1 килокалория может нагреть 1 000 граммов или 1 литр воды на 1 °C.
Однако в наши дни измерение пищевой энергии, или энергетической ценности, как правило, производится совсем не так. Если раньше сжигали саму пищу, то теперь в лабораториях сжигают результат экстракции отдельных компонентов (белков, жиров и углеводов) из продуктов питания. Это так называемая система Этуотера[7]. В соответствии с ней ученые сначала определяют по отдельности количество белков, жиров и углеводов в тестируемой пище. Затем рассчитывается энергия, содержащаяся в пище, с использованием средних значений энергии в белках, жирах и углеводах. Итак, мое печенье содержит 10 г углеводов по 4 ккал/г, что дает 40 ккал на одни лишь углеводы; 1 г белка с калорийностью 4 ккал/г и 3,4 г жира с калорийностью 9 ккал/г. Сложите все это, и у вас получится 74,6 ккал в одном печенье.
Тем не менее калория – довольно маленькая единица энергии. В большинстве порций пищи, которую мы едим, много тысяч калорий. Только в моем печенье 75 000. Получается, что проще измерять энергетическую ценность в килокалориях и просто заменять термин «килокалория» понятием «калория». Однако делается это без какого-либо последовательного подхода, и в результате возникает путаница. Вот почему на упаковке моего печенья указано одновременно и 75 калорий, и 75 ккал. Ну а еще больший сумбур вносит то, что приводится также энергетическая ценность в джоулях.
Само собой, было бы намного проще, если бы все пользовались одной единицей измерения. Но я не знаю, какую из них предпочел бы. Сидящий во мне ученый настаивает на джоулях. Но калория – гораздо более понятная всем нам единица измерения. Как бы то ни было, мы совершенно точно должны прекратить писать «калорий», когда имеем в виду «килокалорий». Учет калорий дает нам возможность узнать энергетическое содержание всей пищи, которую мы кладем в рот. И отсутствие такого учета порой очень плохо сказывается на нашем здоровье.
И все же я избегаю вопроса, который беспокоит меня больше всего. Пока я пишу эти строки, я глубоко взволнован осознанием того, что с помощью энергии, содержащейся всего в двух только что съеденных мной печеньях, можно довести два литра воды комнатной температуры почти до кипения. Пожалуй, лучше я уберу эту пачку, прежде чем еще одно печенье отправится ко мне в рот.
Капающий чайник
Для истинных британцев, к которым я себя причисляю, употребление чая – часть культурного наследия. Поэтому, казалось бы, разобраться с проблемой капающего чайника должны именно мы. Однако окончательный вердикт по этому вопросу вынесла четверка ученых из Лионского университета. Именно они обнаружили, что некоторые особенности чайника все же нельзя предсказать с помощью гидродинамики. (Следует отметить, что открытие было сделано исключительно потому, что до этих французов никто не удосуживался рассмотреть проблему капающего чайника с точки зрения физики.)
Считается, что еще до появления чайников людям удалось установить интересный факт. Когда через трубку (такую как носик чайника) протекает большое количество жидкости, природа поверхности трубки (ее гидрофильность или гидрофобность) не должна иметь значения. Однако сегодня мы точно знаем, что она важна. Традиционное лекарство от капающего чайника – просто смазать маслом край его носика. Но этот давно известный способ всегда казался мне глупой затеей: лучше я пролью половину своего чая на скатерть, чем буду пить его с маслом.
Французская команда ученых обнаружила, что роль играют три фактора. Во-первых, скорость потока жидкости: чем быстрее поток – тем меньше капель. Во-вторых, радиус кривизны края носика: чем он тоньше и острее – тем лучше. Ну и, наконец, природа поверхности: как вы уже наверняка догадались по примеру с маслом, гидрофобный, то есть водоотталкивающий, материал носика гарантирует, что вода не будет стекать по стенке, а соберется в крупную каплю.
Как же формируются капли на носике чайника? Струя чая сбегает с носика, и немного жидкости всегда прилипает к его самому краю. Если поверхность носика не водоотталкивающая, чай прилипает к ней лучше и тянет струю жидкости назад к нижней части носика. Величина, на которую струя чая оттягивается назад, зависит также от угла ее соприкосновения с поверхностью, а он, в свою очередь, определяется кривизной и толщиной стенки носика. Поток чая может оттянуться достаточно далеко назад, цепляться за нижнюю сторону носика и стекать каплями. Но чем выше будет скорость потока жидкости, тем незначительнее окажется это расстояние, а значит, и капель мимо чашки прольется меньше.
Какими бы ни были гидродинамические причины появления этих раздражающих капель из чайника, едва ли вам послужит утешением их понимание, если таким «недугом» страдает ваш собственный чайник. Конечно, вы можете попробовать наливать чай быстрее, но обычно это заканчивается тем, что на столе остается еще больше чая, поскольку в итоге он переливается через край. И все же есть еще один трюк – я подглядел его в китайских ресторанах. Это искусственное изменение носика чайника. Если натянуть на него короткий отрезок прозрачной пластиковой трубки и срезать ее под углом, получится тонкий, острый и, главное, водоотталкивающий носик. Такой трюк действительно решает проблему. Но все же имейте в виду: выглядит это ужасно – независимо от внешнего вида чайника.
Если ни одно из этих решений вам не подходит, все, что вы можете сделать, это нанести на нижний край носика слой гидрофобного материала – только не масла, раз уж мы выяснили, что оно вам не по душе. Современная наука располагает множеством сверхгидрофобных материалов, но, к сожалению, они очень дороги и их трудно достать. Однако есть исключение – самая обычная сажа. Слой сажи, скажем от свечи, обеспечит вам поверхность, которая никогда не будет мокрой: вода просто соберется на ней в каплю и упадет вниз. Подержите носик чайника над пламенем свечи, пока он не почернеет, и вытрите сажу с его верхней части и внутренней стороны. Если все сделать правильно, отныне чайник не будет раздражать вас надоедливыми каплями. Возможно, на нем останутся частички сажи, но, как по мне, это все же лучше, чем масляные разводы в чае.
Кухонные весы и килограмм
На мой взгляд, цифровые кухонные весы – один из величайших даров цивилизации XXI века. Они занимают мало места, невероятно просты в использовании и умеют переключаться между различными единицами измерения. Можно даже поставить сверху чашу и обнулить показания. И все же эти весы почти наверняка будут нам врать.
Скажем, я положу на весы кусок сыра, и они покажут 153 г. Могу ли я быть уверен, что сыр действительно весит 153 г? Если вы внимательно посмотрите на весы и заглянете в инструкцию, то увидите, что у таких устройств всегда есть погрешность – например, у моих весов она ±5 г. Таким образом, на самом деле мой кусок сыра может весить от 148 до 158 г. Конечно, это не имеет большого значения для моих рецептов, но важно понять, могу ли я утверждать, что хотя бы этот диапазон правильный. Возможно ли это в принципе – точно, со стопроцентной уверенностью определить вес чего-либо? Ответ – да, но только если речь идет об одном маленьком объекте во Вселенной.
Скорее всего, мои весы сделаны где-то в Юго-Восточной Азии, и внутри у них есть так называемый тензометрический датчик, который преобразует силу давления груза, положенного на весы, в электрический сигнал. Тензометрические датчики состоят из множества параллельных и невероятно тонких полосок металлической фольги. Когда на весах лежит груз, эти полоски растягиваются и становятся еще тоньше. В результате меняется их электрическое сопротивление, и микропроцессор весов, обнаруживая это изменение, преобразует его в величины на дисплее. В процессе изготовления весов микропроцессоры калибруют таким образом, чтобы они распознавали показания тензометрического датчика для двух реперных точек[8] – 0 граммов и 1 килограмм. Так микропроцессор вычисляет вес всего, что кладется на весы. В ходе калибровки используется тестовый груз, вес которого составляет ровно 1 кг. Работники завода уверены в этом потому, что тестовые гири взвешиваются на еще более точных весах, изготовленных на другом заводе, с применением еще более точных гирь, и так далее. Поскольку любой набор весов опирается на образцовый, а сам образцовый имеет свой образец, каждый последующий стандартный килограмм все больше приближается к идеалу. Но где же заканчивается эта цепочка? Если вы решите проследить ее до самого конца – или, скорее, начала, – она приведет вас в пригород Парижа.
В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам объявили об учреждении Международной системы единиц, или СИ, как ее теперь принято называть. Этот стандарт определил семь основных единиц измерения и способы их воспроизведения. Конечно, с тех пор система была обновлена, и для всех единиц, кроме одной, стало возможным воспроизведение в эксперименте, хотя и не без трудностей. Например, метр теперь соответствует расстоянию, проходимому светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Секунда – это время, затрачиваемое на 9 192 631 770 циклов излучения, исходящего от атома цезия-133. Единственная нерегулярная единица измерения – килограмм[9]. Он определяется лишь в абсолютном выражении, безотносительно к другим единицам. Это вес куска цилиндрической формы из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), изготовленного в 1889 году и в настоящее время находящегося в хранилище в Севре – коммуне в предместьях Парижа. Однако называть его куском платины и иридия – значит все же несколько занижать его ценность. Этот международный прототип килограмма, как его именуют, представляет собой идеальный, безупречный цилиндр высотой 39,17 мм с таким же диаметром. Точные копии прототипа были разосланы по всему миру, в страны, где национальные институты мер и весов используют эти копии первого поколения, чтобы изготавливать неизбежно менее точные копии второго поколения и так далее, вплоть до гирь, которыми поверяли мои кухонные весы. С каждым шагом в сторону от эталона прототипы становятся все менее точными. Именно поэтому, когда мои весы уверенно говорят мне, что кусок сыра весит 153 г, вероятность того, что это действительно так, все же довольно мала.
Кулинария в союзе с наукой
Одно из самых главных удовольствий в жизни для меня – это приготовление пищи, поэтому вы вряд ли удивитесь, если я скажу, что являюсь большим поклонником кухонных гаджетов. Мои кухонные шкафы и ящики забиты всевозможной посудой и приборами, какие-то из них полезные, другие – не очень. Самый большой и эффектный прибор на моей кухне – индукционная плита. Мне кажется, это чудо техники пришло к нам прямо из вселенной «Звездного пути» или другой научно-фантастической космической оперы по вашему выбору. Поверхность для приготовления пищи представляет собой абсолютно гладкий черный керамический лист, лишенный каких-либо ТЭНов[10] – традиционных средств получения тепла. Тем не менее, если я поставлю на него кастрюлю с водой и поверну цифровой диск, то мгновенно создам тепло и вода начнет кипеть в считаные секунды. Однако вы поймете, насколько это невероятно, лишь когда снимете кастрюлю с кипящей водой и при этом ненароком положите руку на плиту (если только вы не держали на выключенной плите кастрюлю с кипятком слишком долго): плита покажется вам теплой, но никак не обжигающе горячей. Как же варочная панель смогла вскипятить воду в кастрюле, не нагревшись сама? Что это за хитрость заставляет ее работать?
Индукция, или, если использовать полное название, электромагнитная индукция, была открыта, как и многие другие электрические явления, великим физиком Майклом Фарадеем, работавшим в подвальных лабораториях Королевского института в Лондоне. Удивительно, но мы знаем не только точное место совершения этого открытия, но и дату – 29 августа 1831 года. В письме другу Фарадей писал: «Кажется, я что-то ухватил, но пока не могу сказать, что именно. Ведь это может быть тина вместо рыбы, которую я после всех своих трудов рассчитывал наконец вытащить». Но это оказалась не тина и даже не просто рыба – а целая акула!
Фарадей тогда уловил и в метафорической форме передал следующее. Если рядом с проводом двигать магнитом, то по проводу потечет электрический ток. Что очень важно, верно и обратное утверждение: если вы заставите ток течь попеременно взад и вперед по проводу, он создаст вокруг него магнитное поле[11]. То есть провод и ток – все, что нужно, чтобы создать электромагнитную индукцию[12]. Однако последствия этого открытия оказались далекоидущими.
Возьмите плоскую катушку из проволоки и поместите ее недалеко от провода, по которому течет переменный ток. Согласно законам электромагнитной индукции, этот переменный ток создает переменное магнитное поле, которое само постоянно меняется. У него северный полюс то с одной стороны, то с другой. Если на верхнюю часть катушки положить кусок магнитного металла, такого как сталь например, переменное магнитное поле вызовет в нем ток. И тут сразу выяснится, что нержавеющая сталь не лучшим образом проводит электричество, оказывая ему высокое электросопротивление, так что бóльшая часть энергии токов высокой частоты (а именно они циркулируют в поверхностном слое) превращается в тепло. Таким образом, наш кусок стали, лежащий на проволочной катушке, нагревается, хотя у самой катушки такого эффекта не наблюдается.
Теперь спрячьте катушку проволоки под стильным черным керамическим листом и положите массивный лист из стали на дно кастрюли. Вуаля, вы только что сделали индукционную плиту своими руками! Переменные магнитные поля, создаваемые катушкой из проволоки, будут работать и через керамический лист. Вы даже можете провернуть трюк, использовавшийся продавцами первой индукционной варочной панели, разработанной компанией
Однако у любознательного девятилетнего мальчика, который как бы сидит у меня на плече, есть раздражающий вопрос, на который я до сих пор не ответил. Почему вся эта электромагнитная индукция вообще существует? Что же такого есть в электричестве и магнетизме, что заставляет их идти рука об руку? Намек на ответ кроется в самом слове «электромагнитный». Дело не столько в том, что они всегда связаны друг с другом, сколько в том, что это одно и то же.
В природе существует только четыре фундаментальные силы. Слабое взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие, удерживающие вместе субатомные частицы в ядре атома; гравитационное взаимодействие, суть которого мы до сих пор до конца не понимаем; и электромагнитное взаимодействие. Электромагнитную волну мы можем очень условно представить себе как две волны, чьи плоскости всегда расположены под прямым углом друг к другу. Одну из этих волн мы называем магнитной, другую – электрической. Их взаимодействие – очень сложный процесс, и лишь ошибочные представления заставляют нас воспринимать эти силы порознь. Таким образом, причина, по которой электричество и магнетизм идут рука об руку, заключается в том, что по существу это одно и то же.
Это возвращает меня к первоначальному убеждению, что индукционная плита – самый замечательный прибор на моей кухне. Возможно, кто-то считает иначе, но я убежден: никакие слайсеры, попкорн-машины, миксеры, рисоварки и хлебопечки не смогут так элегантно продемонстрировать одну из фундаментальных сил природы.
Долой мифы о микроволновке
Если даже у вас нет микроволновки, вы наверняка знаете кого-то, у кого она есть. Этот аппарат для ускоренного приготовления пищи стоит теперь почти на каждом кухонном столе. Но что происходит внутри микроволновой печи и как она работает на самом деле? Загляните в интернет или какой-нибудь подходящий учебник, и вы прочтете, что микроволновые печи нагреваются изнутри. Кроме того, вы узнаете, что микроволны подогревают или готовят пищу, заставляя молекулы воды входить в резонанс. Это почти правда, но, к сожалению, лишь почти.
В далеком 1945 году молодой инженер по имени Перси Спенсер работал над военным проектом для США, который предполагал использование микроволновых передатчиков. В те времена не было такого уровня контроля охраны здоровья и безопасности, и, когда Спенсер неосмотрительно стоял рядом с неэкранированным передатчиком, плитка шоколада в его кармане расплавилась. В тот момент удачливый инженер мало что понял, но это был первый случай приготовления пищи в микроволновой печи. Спенсеру еще повезло, что он сам не сварился!
Микроволновое излучение является частью электромагнитного спектра, совсем как световые лучи, которые мы видим. А отличает их друг от друга длина волны – расстояние между пиками интенсивности. У микроволн это расстояние составляет 12,2 см, в то время как длина волны видимого света примерно в 200 000 раз меньше. Важнейшей частью электромагнитного излучения – в том числе и из микроволновой печи – является его электрическая составляющая. Да, величина напряженности электрического поля растет до положительных величин и снижается до отрицательных.
Теперь представьте себе молекулу, колеблющуюся в потоке микроволн. Если у этой молекулы одна сторона заряжена немного более положительно, чем другая, то эта молекула попытается сориентироваться в соответствии с электрическим полем микроволновой печи. Поскольку электрическое поле постоянно меняет вектор своей напряженности, молекула пытается перевернуться вместе с ним. Как следствие, часть энергии микроволнового излучения передается молекуле. Более того, когда молекула кувыркается, она врезается в другие молекулы вокруг себя и щедро передает им часть своей только что обретенной энергии. Этот тип передачи энергии называется диэлектрическим нагревом, и, как следует из названия, это один из способов нагреть что-либо.
Если наша гипотетическая молекула – молекула воды в миске овощного супа, то она будет характеризоваться сильно неравномерным распределением электрического заряда, поэтому примется легко вращаться в волнах микроволнового излучения. Вскоре молекулы воды в супе начнут активно толкаться, передавая захваченную энергию микроволн друг другу и нагревая суп. Тем не менее не только вода нагреется под действием излучения. Нагреваются и жир, и сахарá, и даже керамические тарелки, если их глазурь содержит соединение с неравномерно распределенным зарядом. Более того, этот процесс не имеет никакого отношения к какому-либо резонансу, тем более в воде. Интересно, что молекулы воды во льду не совершают вращательных движений, поскольку не могут так свободно перемещаться. Именно поэтому размораживание продуктов в микроволновой печи, кажется, длится целую вечность.
Итак, если это физическая причина заставляет микроволновую печь генерировать тепло, получается, что пища греется изнутри? Нет, это тоже заблуждение. Микроволновки разогревают пищу снаружи, как и все остальные печи, но микроволны при этом, вместо того чтобы просто нагревать поверхность, проникают в суп, картофель или остатки карри на пару сантиметров вглубь. То есть тепло попадает в еду. И именно это ускоряет время приготовления. Кроме того, вам не нужно заранее разогревать микроволновую печь, как это делается с духовкой. Микроволновки начинают греть сразу после включения, и вы не теряете никакой энергии на стенках печи. Металлические пластины внутри нее действуют на излучение как зеркало. Волны отражаются от них и снова попадают в пищу, которую вы хотите нагреть. Все это работает в комплексе, и поэтому микроволновая печь так быстро справляется со своей задачей.
Уже более 70 лет прошло с тех пор, как шоколадка Перси Спенсера растаяла у него в кармане. Микроволновые печи стали использовать по всему миру. И все же для многих это устройство по-прежнему остается загадочным и непонятым.
Несовершенный тостер
Несмотря на все обещания многочисленных производителей мелкой кухонной техники, у меня до сих пор нет нормального тостера, который бы всегда работал так, как я хочу. И дело тут вовсе не в настройках: мой тостер способен выдавать огромный диапазон прожарки – я могу получить хлеб от слегка румяного до полностью обугленного. Так может быть, я просто покупаю дешевые тостеры? Или все же есть нечто принципиально трудное в автоматизации поджаривания хлеба?
Базовая конструкция тостера практически не изменилась с 1919 года, когда Чарльз Стрит изобрел автоматический тостер, выбрасывающий хлеб после поджаривания. Это устройство объединило в себе целый ряд механизмов – в частности, нагревательный элемент, таймер и связанный с ними пружинный механизм. Также в основе тостера лежит еще одно изобретение, которое вы легко можете обнаружить и в своем тостере сегодня: это нихромовая проволока. В самом первом тостере, сконструированном в 1893 году шотландцем Аланом Макмастерсом, использовались катушки из нихромовой проволоки, через которые проходило электричество. Именно оно давало тепло для поджаривания хлеба. К сожалению, пришедшая на ее место стальная проволока перегревалась, вступала в реакцию с кислородом и быстро сгорала. И все же компания, производившая тостеры с нихромом, да и сам Макмастерс при жизни, не слишком преуспели в продвижении своего изобретения, пропустив на рынок «стальных» собратьев.
Однако в 1905 году нихромовая проволока отвоевала свои позиции и прочно закрепилась на рынке. Сплав, состоящий из 80 % никеля и 20 % хрома, имеет несколько очень важных свойств. Во-первых, его можно нагревать до очень высоких температур и он не окисляется, как сталь. Дело в том, что нихром образует защитный слой из оксида хрома. Во-вторых, нихром – очень плохой проводник электричества. Вы можете подумать, что это помеха для использования его в электрических устройствах. Однако именно высокое сопротивление электричеству делает нихромовую проволоку незаменимой для большинства электронагревательных приборов. Когда через нее проходит электричество, сопротивление нихрома проявляется в виде большого количества тепла. Эти два свойства делают нихром идеальным материалом для преобразования электричества в тепло. Успех сплава был таким значительным, что его изобретателя, Альберта Марша, даже объявили отцом электроотопительной промышленности.
Итак, если тостер сам по себе такое простое устройство, то почему мои тостеры продолжают давать столь неустойчивые в плане прожарки результаты? На самом деле ответ на этот вопрос кроется не в тостерах, а в хлебе. Идеальный тост, на мой взгляд, горячий, хрустящий и золотисто-коричневый. И если с температурой и хрустящей корочкой проблем нет, то оттенок цвета – вопрос более сложный. Химия этого изменения, связанная с реакцией Майяра[13], была неплохо изучена еще в 1910-х годах, поскольку она лежит в основе многих процессов приготовления пищи. Когда вы разогреваете ломтик хлеба (или, как вариант, картофель, или стейк), белковые молекулы начинают вступать в реакцию с определенными сахарами, такими как глюкоза, лактоза и мальтоза, но не сахароза. Эта реакция производит новые, сложные соединения, которые обеспечивают коричневый оттенок и приятный вкус. Именно этого, я уверен, мы и пытаемся добиться от наших тостов. Однако, нагревая хлеб чересчур сильно, мы слишком далеко заходим в этом взаимодействии и доводим хлеб до карамелизации (с горьким вкусом[14]), а иногда и до карбонизации (обугливания).
Проблема с приготовлением тостов заключается в том, что степень прохождения реакции Майяра критически зависит от количества и типа сахаров в хлебе, а также от содержания белков. Вот почему и самый лучший тостер сегодня не может каждый раз делать идеальные тосты, даже если вы покупаете один и тот же хлеб. Кроме того, для реакции Майяра большое значение имеют чисто физические аспекты, такие как температура хлеба перед тем, как он попадет в тостер, и толщина ломтика. Оказывается, обжаривать тосты сложнее, чем кажется, и именно поэтому развитие технологии тостеров застопорилось почти на сто лет.
Загадка кофейного кольца
Если вы прольете немного кофе на стол и, не вытерев, оставите его сохнуть, он не оставит после себя равномерного коричневого пятна, как можно было бы ожидать. Вместо этого вы увидите кольцо с очень темными краями и светло-коричневой серединой. Такой же эффект, хотя и менее выраженный, вы получите на салфетках и скатертях, залитых красным вином. По мере высыхания пятно будет приобретать более насыщенный цвет по краям.
Это явление известно как эффект кофейного кольца. Стоит отметить, что такое название призвано подчеркнуть наличие яркого края при высыхании капли кофе, а вовсе не вызвано формой пятна, которую оставляют на столе кофейные чашки. Это происходит потому, что кофе – не просто коричневая жидкость, а суспензия (проще говоря, неоседающая взвесь): вода с измельченными частицами кофейных зерен и растворенными в ней молекулами соединений, дающих аромат. Если речь идет о кофе с кофеином, а другой я не приемлю, то это аромат кофеина.
Представьте себе, что у нас есть капля кофе на гладкой столешнице вашей кухни. Когда эта капля начнет высыхать, вы заметите несколько моментов. Во-первых, размер площади смоченной столешницы не уменьшится по мере испарения капли. Край жидкости на столе останется зафиксированным в первоначальном положении, поскольку вода очень хорошо прилипает к поверхности стола – порой до такой степени, что силы, стягивающие каплю вместе, слабее, чем те, которые удерживают ее на столешнице. Поэтому, когда капля высыхает, она не оказывается меньше в диаметре, но становится более плоской.
Во-вторых, испарение воды происходит по всей поверхности капли, включая края, где вода встречается со столешницей. Когда молекулы воды испаряются из середины капли, на их место поднимаются молекулы снизу. По краям ситуация немного другая: здесь вода располагается под небольшим углом к столешнице. Поэтому, когда испаряются молекулы по краям, капля как бы растекается: под действием силы тяжести улетевшие молекулы заменяются молекулами из центра, и это создает постоянный отток молекул от центра капли к краям.
Поскольку наша капля заполнена крошечными частичками измельченных кофейных зерен, эти частички двигаются вместе с водой. Так что бóльшая их часть к тому времени, когда вода полностью испаряется, оказывается около края. При попадании жидкости на впитывающую поверхность, такую как салфетка, происходит то же самое, только эффект получается менее выраженным. Его ослабление объясняется тем, что перемещение частиц затруднено волокнами салфетки.
Эффект кофейного кольца может показаться очень надуманной проблемой, но на самом деле в лакокрасочной промышленности его существование создает массу трудностей. Он применим к любой жидкости, содержащей мельчайшие частицы. В баллончике с аэрозольной краской, к примеру, тоже суспензия – взвесь крошечных частичек пигмента в жидком носителе. Но ведь все мы хотим получить ровное покрытие, а не маленькие колечки с темными краями, вызванные эффектом кофейного кольца. Есть несколько способов обойти эту проблему. Проще всего использовать жидкость с максимально быстрым испарением. Внутри такой жидкости частички не успевают перемещаться.
Однако большего внимания заслуживает то, что обнаружили ученые из Университета штата Пенсильвания в США. Если частицы, взвешенные в жидкости, имеют не сферическую, а удлиненную форму, эффект кофейного кольца не наблюдается. Если частицы примерно в три раза длиннее своей ширины, они просто застревают на внутренней поверхности капли. Затем они начинают прилипать друг к другу и образуют комки, которые слишком велики, чтобы их можно было притянуть к краю капли. И, когда капля высыхает, получается покрытие с равномерным распределением частиц. Пожалуй, это открытие может послужить отличным началом для создания медленно высыхающих аэрозольных красок.
Таким образом, чтобы избежать неприглядных кофейных колец на вашей столешнице, вы можете либо измельчать кофе в удлиненные частицы, либо вытирать капли до того, как они высохнут сами. Одно из этих решений явно имеет научную основу, но зато другое радует своей простотой.
Как необычность льда спасла цивилизацию
Звон кубиков льда в высоком стакане с любимым коктейлем навевает на меня воспоминания о жарких летних вечерах. К тому же в бокале, где есть лед, независимо от напитка, всегда происходит кое-что примечательное.
Давайте рассмотрим основные различия между жидкостями и твердыми телами. В качестве примера я приведу чистый спирт, или этанол, просто потому, что это очень удобное вещество. Молекулы жидкого этанола не крепко связаны друг с другом и могут свободно перемещаться. Это одно из ключевых свойств жидкости, и оно позволяет нам наливать жидкий этанол в емкости любой формы. Однако если вы заморозите этанол до –114 °C, он превратится в твердое вещество. И молекулы твердого этанола уже будут зафиксированы на месте в аккуратном массиве регулярной кристаллической решетки. То есть в твердом этаноле молекулы не могут свободно перемещаться, они связаны крепче, и каждая как бы занимает меньше места, так что твердый этанол плотнее, чем жидкий. Если вы сделаете кубики из твердого этанола и бросите их в стакан с жидким этанолом, они опустятся на дно.
Это справедливо практически для всех жидкостей в самом широком смысле этого слова: этанола, растительного масла, ртути, кислорода, стали. Твердое вещество всегда плотнее и тонет в жидкости. Однако вода выбивается из этого правила и вообще имеет много аномалий. В частности, плотность льда меньше, чем плотность воды, и лед плавает на ее поверхности.
Это объясняется способностью молекул воды образовывать особый тип химической связи – относительно слабую водородную связь. Вода чрезвычайно хороша в создании водородных связей, и в силу этого ей присущи также и другие странные характеристики, помимо расширения при замерзании. А именно – высокое поверхностное натяжение и капиллярное действие. В жидкой воде молекулы перемещаются с очень высокой скоростью и обладают весьма внушительным запасом энергии, препятствующим тому, чтобы водородные связи удерживали молекулы на месте. Следовательно, последние часто приближаются довольно близко друг к другу.
Когда температура падает ниже 0 °C, молекулы не могут сопротивляться водородным связям, так что они замедляются вплоть до остановки. Молекулы воды располагаются объемными слоями гексагональных решеток, причем расстояние между ними определяется длиной водородной связи. Сочетание такого специфического геометрического расположения и большой длины водородной связи обеспечивает меньшую плотность «упаковки» молекул воды относительно друг друга, чем в жидкой фазе. При меньшем количестве молекул воды, упакованных в заданное пространство, плотность уменьшается, а не увеличивается.
Хотя может показаться неважным, плавают ли кубики льда или тонут, эта особенность воды оказывает значительное влияние на наш мир. Например, огромная арктическая ледяная шапка со всеми живущими на ней белыми медведями и песцами плавает над Северным полюсом, а не лежит на дне океана. Неясно, каков был бы эффект, если бы дело обстояло иначе. Наверняка, если бы арктический лед тонул, началось бы постепенное накопление льда на дне океана, что охлаждало бы воду наверху, а с ней и всю атмосферу. Формировалось бы еще больше льда и так далее, пока океаны не стали бы полностью ледяными, мир превратился бы в гигантский снежный ком, и мы все погибли бы. Хотя я признаю, что это, пожалуй, все же немного мелодраматично. Во всяком случае, зимний лед на дне озер и ручьев точно привел бы к исчезновению многочисленных классов ракообразных, которые там живут.
Очевидно, что плотность замерзшей воды неизменна. Это фундаментальное физическое свойство, результат специфической химии воды. И эта особенность вовсе не счастливая случайность. Скорее, это результат движущей силы эволюции жизни на нашей планете. Если бы лед не плавал, нас почти наверняка бы здесь не было, и мы бы не обсуждали эту тему. Однако это, вероятно, последнее, что вы хотели бы слышать под звон кубиков льда в бокале, так что я предлагаю вам выбросить это из головы и насладиться напитком, прежде чем парадоксально плавающий в нем лед растает.
Чудесный насос восковой свечи
Возьмите спичку, чиркните ею и поднесите пламя к фитилю свечи. Через несколько мгновений свеча начнет мерцать, и оранжевое пламя оживет. Теперь оставьте свечу гореть, и со временем она станет короче. Ясно, что воск поглощается пламенем и используется в качестве топлива. Но теперь возьмите вторую свечу, вторую зажженную спичку и попробуйте поджечь саму свечу. Это сделать невозможно. Как бы вы ни старались, у вас не получится поджечь воск, из которого состоит свеча, но вы легко можете зажечь фитиль. Невероятно, но воск не воспламеняется.
Это, казалось бы, парадоксальное наблюдение поспособствовало появлению одной из самых ранних и увлекательных научно-популярных книг – «Химической истории свечи» Майкла Фарадея. Она составлена из заметок слушателей курса из шести лекций, прочитанных Фарадеем в 1848 году в ходе ежегодных Рождественских лекций в Королевском институте Великобритании. (Эта традиция – читать рождественские лекции – сохраняется по сей день.) Сам Фарадей был блестящим ученым, который открыл несколько химических элементов и изобрел электрический двигатель. Кроме того, многие считают, что именно он стоит у истоков такого явления, как популяризация науки. Фарадей обладал уникальным складом ума, так что как никто мог довести незамысловатое, но вполне научное наблюдение за свечой до поразительной глубины, просто ставя перед собой нужные вопросы.
Итак, при комнатной температуре воск является негорючим твердым веществом. Но пламя свечи обусловлено горением газообразной формы воска, или паров воска. Может быть, само по себе это и не удивительно, поскольку пламя явно не твердое и не жидкое. Но что делает свечу замечательной, так это то, что она представляет собой элегантный невидимый насос, преобразующий твердый воск в газ, который затем сгорает.
Фитиль свечи обычно делается из плетеного хлопчатобумажного материала, который сам по себе не горит особенно хорошо. Однако при наличии воска этот процесс протекает гораздо лучше и к тому же дает много тепла, которое высвобождает твердый воск внизу. Огонь плавит воск, превращая его из твердого вещества в жидкость, а жидкость затем поднимается вверх по фитилю под действием капиллярных сил. Когда жидкий воск приближается к горящей части фитиля, воск испаряется, переходя из жидкого состояния в газообразное. Этот горячий пар начинает подниматься, втягиваемый конвекцией воздуха вокруг него в пламя горящего фитиля. Теперь у нас есть восковой пар и большое количество кислорода из воздуха, а также источник воспламенения. Восковой пар сгорает, образуя большое пламя с большим количеством излучаемого тепла. Все больше твердого воска плавится и втягивается в фитиль. Природный насос, заключенный в свече, начал работать и будет работать до тех пор, пока не закончится воск или не погаснет пламя. Представленный таким образом, этот процесс кажется простым, но каждый его этап имеет свои замечательные тонкости.
Капиллярное действие – это интересное явление, возникающее из-за склонности молекул жидкости прилипать друг к другу и их способности прилипать к другим объектам. Это позволяет жидкости подтягивать себя «за свои собственные волосы». Для того чтобы капиллярное действие сработало, необходимо соответствие некоторых физических свойств жидкости, а именно ее поверхностного натяжения и плотности. В случае со свечой между нитями хлопка в фитиле есть узкие промежутки. Эти промежутки имеют подходящую ширину для подъема жидкого воска, поэтому фитили почти всегда изготавливают именно из хлопка. И поэтому все фитили на частично сгоревших свечах примерно одинакового размера. Именно негорючий жидкий воск в фитиле останавливает его полный подъем и сгорание в пламени. Так что высота, на которую воск поднимается в фитиле, определяется капиллярным действием и составляет около 1 см. То есть на такую высоту фитиль может возвышаться над воском.
Форма верхней части свечи также имеет решающее значение для успешного горения. Когда свеча горит уже некоторое время, наверху образуется знакомая лужица. Она представляет собой резервуар с жидким воском, готовым к тому, чтобы его втянул фитиль, на вершине которого воск испарится и сгорит. Если у вас не получается такой лужицы, значит, вы неправильно сделали свечу или ваша свеча слишком тонкая. Вместо того чтобы гореть хорошо, она будет оплывать и тухнуть, ведь в фитиле окажется меньше воска. Короче говоря, преимущества наличия лужицы воска бесспорны, и свечи, как правило, всегда делаются с минимальным диаметром около 1 см. В маленьких свечах, например в тех, что мы ставим в праздничные торты, лужицы не образуются: расплавленный воск просто стекает по бокам.
Пламя свечи тоже стоит рассмотреть повнимательнее. Непосредственно над фитилем и вокруг той его части, что возвышается над воском, пламя немного темнее. Это пары воска, не сгорающие из-за недостатка кислорода. Но по мере того как они поднимаются, с ними смешивается все больше кислорода, и мы попадаем в пылающую оранжевую часть пламени, где воск начинает гореть. Однако и в этой области кислорода все еще недостаточно, поэтому воск сгорает не полностью и оставляет часть углерода из воска в виде частиц, а не углекислого газа. Такой углерод становится очень горячим и оранжевым – вот почему верхушка пламени свечи обладает именно таким цветом. Есть в пламени и третья часть, хотя заметить ее очень сложно. Оранжевую область обрамляет почти невидимый сине-желтый слой глубиной около 2 мм. Чтобы увидеть его, попробуйте установить свечу на темном фоне и осветить ее сбоку. Внимательно посмотрите вдоль вертикальных краев и сможете обнаружить едва уловимую разницу во внешней стороне пламени. Это та область, где кислорода достаточно для полного сгорания свечного воска. Также это самая горячая часть пламени.
Есть и еще одна простая демонстрация, помогающая выявить некоторые свойства пламени свечи. Для начала зажгите свечу и подождите немного, чтобы пламя разгорелось и стало устойчивым. Затем с зажженной спичкой в руке осторожно задуйте пламя. Вы увидите струйку чего-то похожего на дым, поднимающуюся из потухшего фитиля, – но это не дым, а пары воска. Теперь быстро поднесите зажженную спичку к фитилю на расстоянии нескольких сантиметров и погрузите ее в поток паров воска. Как только вы это сделаете, пламя прыгнет от спички к фитилю и свеча мгновенно загорится вновь. Когда вы овладеете этим трюком, попробуйте использовать свечные щипцы, чтобы гасить пламя с минимальным возмущением воздуха (чтобы пары воска поднимались в строго вертикальном потоке). Попрактиковавшись, вы сможете заставить свечу загореться вновь с помощью спички, расположив ее на расстоянии до 5–6 см.
Вся эта наука и многие другие факты были подробно описаны в замечательной книге Фарадея «Химическая история свечи». Он не обошел вниманием и эксперименты, которые проводил с целью исследовать это, казалось бы, простое явление. Но при ближайшем рассмотрении «наука свечи» оказалась сложной. К счастью, книга Фарадея все еще издается, а также доступны цифровые копии, причем совершенно бесплатно. Так что ее определенно стоит прочесть.
03 Чудеса науки в домашнем быту
Прогресс технологии освещения
Это началось как ручеек, но превратилось в настоящее наводнение. Люди во всем мире массово отказываются от своих старых ламп накаливания в пользу новомодных компактных люминесцентных ламп. Правительства по всему миру принимают законы, запрещающие использование ламп накаливания. Бразилия и Венесуэла первыми вступили на этот путь еще в 2005 году, Австралия – в 2010 году, Великобритания – в 2011 году. На момент написания книги Россия, США и Китай уже тоже законодательно поддержали это начинание. Причина проста: лампы накаливания ужасно неэффективны как источник света. Они были представлены на рынке лишь потому, что не существовало экономически надежных конкурентов.
Традиционную лампу накаливания впервые продемонстрировал на практике не Томас Эдисон и даже не Джозеф Суон[15], а шотландец Джеймс Линдси в 1835 году в Данди. Хотя это изобретение значительно усовершенствовалось за почти 200 лет своего существования, лишь около 2 % энергии, поступающей в лампу накаливания, превращается в видимый свет. Сравните этот показатель с показателем ламп, на которые мы все постепенно переходим: компактная люминесцентная лампа преобразует в свет около 10 % энергии. Теперь понимаете, почему нас всех призывают сделать такой переход?
Компактная люминесцентная лампа представляет собой обычную люминесцентную лампу, свернутую спиралью, в некоторых случаях – заключенную во внешнюю стеклянную колбу. Наука, лежащая в основе ее работы, была известна с 1856 года, но только с инновационной намоткой и в результате миниатюризации эти лампы начали свой путь в наши дома в 1976 году. Трубка компактной люминесцентной лампочки заполнена инертным газом аргоном под очень низким давлением, но внутри трубки также есть крошечная капля жидкой ртути, которая нагревается и испаряется, когда через трубку проходит электрический ток ионов и, собственно, электронов. При этом электричество передает часть своей энергии атомам ртути. Ртуть может удерживать эту энергию совсем недолго, а потом быстро высвобождает ее в форме невидимого глазом ультрафиолетового света. Он в свою очередь попадает на белое порошкообразное люминофорное покрытие на внутренней стороне стеклянной трубки. Люминофор поглощает энергию ультрафиолетового излучения и, как и ртуть, быстро отдает ее, но на этот раз в форме видимого света. Свет современных компактных люминесцентных ламп имеет примерно ту же интенсивность, что и свет ламп накаливания. Но к числу пока не решенных серьезных недостатков относится сравнительно долгое время, которое требуется люминесцентной лампе для достижения максимальной яркости.
Обычно на это требуется от десяти секунд до минуты, и вот почему. Когда вы включаете люминесцентную лампу, внутри трубки очень мало паров ртути. Почти вся она находится в жидком состоянии. Что касается аргона, он не проводит электричество. Чтобы заставить ток течь по трубке, на каждом ее конце должна быть крошечная катушка провода. Когда электричество проходит по этим проводам, они нагреваются и выбрасывают электроны со своей поверхности в газ аргон. Также катушки нагревают ртуть, превращая ее в пар, и, только когда газ внутри лампы достигает критической точки ионизации, электричество принимается течь по трубке в штатном режиме. Затем ртуть начинает испускать ультрафиолетовый свет, который люминофор преобразует в видимый. Все это занимает некоторое время, так что лампа разгорается не сразу. Именно поэтому компактные люминесцентные лампы работают плохо вне помещений. Если воздух холодный, может потребоваться до пяти минут, чтобы лампа разгорелась полностью.
В последнее время появился ряд инноваций, которые способствуют более быстрому «запуску» компактных люминесцентных ламп. И все же никакие инновации никогда не смогут обеспечить им то мгновенное включение, которое предлагают лампы накаливания. Несмотря на это, пятикратное повышение КПД и вытекающая из этого колоссальная экономия энергии более чем компенсируют неудобства первых секунд включения. Однако уже появилась и новая технология – светоизлучающий диод и светодиодные лампы. В настоящее время лампочки, изготовленные на основе светодиодов, значительно дороже, но их эффективность в два раза выше, чем у компактных люминесцентных ламп. К тому же они мгновенно разгораются вне зависимости от температуры воздуха. Так что и у самóй компактной люминесцентной лампы, вытесняющей 200-летнюю лампу накаливания, нет никаких гарантий, что она будет вечно оставаться в центре внимания.
Слинки – шагающая игрушка
В 2014 году я получил возможность попытаться установить мировой рекорд и попасть в Книгу рекордов Гиннесса. Правда, за максимальное количество ступенек, на которые спустится слинки. С Хью Хантом, инженером из Кембриджского университета в Великобритании, мы установили рекорд в тридцать ступеней. В процессе экспериментов – стоит отметить, дело это оказалось сложнее, чем можно себе представить, – я делал перерывы, чтобы задаться вопросом, как вообще работает слинки.
Слинки изобрел Ричард Джеймс, инженер из Филадельфии (США), в 1943 году. Оригинальная конструкция, которая сохранилась и по сей день, представляет собой катушку из стальной проволоки длиной более 21 метра с 98 петлями-витками. Когда в 1945 году такая пружинка поступила в продажу, ее ждал настоящий успех. Говорят, что первую партию раскупили всего за 90 минут. С тех пор были проданы сотни миллионов слинки, и это не считая современных пластиковых версий.
В полной мере магия слинки откроется перед вами, когда вы поставите ее и перекинете верхнюю часть пружинки над краем ступеньки. Вся пружина спустится на ступеньку вниз. Затем слинки самостоятельно сделает еще шаг и спустится на следующую ступеньку. Это будет происходить до тех пор, пока игрушка не доберется до площадки или, что бывает гораздо чаще, не запутается и не остановится. Казалось бы, такая конструкция не должна работать, но она определенно работает.
Каждая пружина, независимо от размера, обладает коэффициентом жесткости, который представляет собой совокупную характеристику ее длины и силы. Чрезвычайно важно, чтобы жесткость пружины была одинаковой по всей длине слинки, а также соответствовала высоте ступеней, по которым вы пытаетесь ее спускать. Если жесткость слишком высока, слинки будет все быстрее переворачиваться вниз по ступенькам и начнет хаотично падать, а не шагать. Если же чересчур низкой – ее верхняя часть достигнет следующей ступени и пружина просто застрянет, не имея достаточно тяги, чтобы опустить нижнюю часть слинки. То же самое и с высотой ступеней: если она окажется неподходящей, пружинка просто не будет шагать. Например, на очень неглубоких ступенях большинство слинки застревает, так как им недостает мощности, чтобы вытянуть всю катушку вниз, к следующей ступени. А на слишком узких – для шага не хватает места.
Но коэффициент жесткости объясняет только, почему слинки спускается на следующую ступеньку, но никак не то, почему она продолжает шагать. Чтобы добраться до сути этого явления, нам нужно очень внимательно понаблюдать за слинки, и лучше в замедленной съемке. Вы заметите нечто весьма интересное: когда пружинка касается нижней ступени, последние несколько витков не торопятся соединиться с остальными и даже на мгновение замирают на верхней ступени. Именно импульс последних витков способен преодолевать силу, стягивающую пружину при растяжении. Запас этого импульса позволяет слинки поднимать верхнюю часть и начинать падать вниз, на следующую ступеньку. Далее гравитация делает свое дело, и весь процесс начинается снова.
Итак, с помощью физики, работающей так, как нужно вам, вы можете заставить слинки пройти определенный путь. Тем не менее, по моему собственному рекордному опыту, секрет действительно длинного спуска заключается в том, чтобы сделать достаточно сильный первый щелчок, и тогда слинки не остановится. Сделайте его правильно, и ваша пружинка будет шагать вниз, пока не закончатся ступени.
Машины, которые видят в темноте
В углу комнаты, где я сижу и пишу эти строки, под потолком висит маленькая коробочка. Это моя система охранной сигнализации. Внешне кажется, что она сформирована из непрозрачного изогнутого листа белого пластика. Коробочка не замечает моего присутствия, но, когда я встаю со своего места, на ней загорается красная лампочка. Каким-то образом белая пластиковая коробка видит меня, хотя я нахожусь по крайней мере в пяти метрах от нее. Если я стою абсолютно неподвижно, примерно через пять секунд лампочка гаснет. Можно двигаться достаточно медленно, чтобы красный огонек оставался выключенным, но это невероятно трудно. Детектор удивительно чувствительный – малейшее быстрое движение, и он замечает меня. Более того, он обнаруживает движение как при дневном свете, так и в кромешной темноте. Как же так получается, что нечто столь маленькое и безобидное может узнать меня в другом углу комнаты?
Поделиться книгой: