Издательство «Альпина нон-фикшн» представляет книгу Андрея Варламова, Аттилио Ригамонти и Жака Виллена «Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий» (перевод Марии Прилуцкой, научный редактор Сергей Парновский, редактор Александра Бачурина).
Почему при течении воды в реках возникают меандры? Как заставить бокал запеть? Можно ли построить переговорную трубку между Парижем и Марселем? Какие законы определяют форму капель и пузырьков? Что происходит при приготовлении жаркого? Можно ли попробовать спагетти альденте на вершине Эвереста? А выпить там хороший кофе? На все эти вопросы, как и на многие другие, читатель найдет ответы в этой книге.
Каждая страница книги приглашает удивляться, хотя в ней обсуждаются физические явления, лежащие в основе нашей повседневной жизни. В ней не забыты и последние достижения физики: авторы посвящают читателя в тайны квантовой механики и сверхпроводимости, рассказывают о физических основах магнитно-резонансной томографии и о квантовых технологиях.
От главы к главе читатель знакомится с неисчислимыми гранями физического мира. Отмеченные Нобелевскими премиями фундаментальные результаты следуют за описаниями, казалось бы, незначительных явлений природы, на которых тем не менее и держится всё величественное здание физики.
Предлагаем прочитать фрагмент книги.
«Винные слезы»
Если осторожно вращать бокал вина, немного его наклоняя, чтобы намочить стенки, то можно наблюдать любопытное явление. Внутри бокала образуется винная пленка, с верхнего края которой стекают вязкие капли, называемые «винными ножками», или «винными слезами». Эти капли медленно стекают по стеклу, и вместо них возникают новые. Это необычное явление связано с тем, что спирт более летуч, чем вода: его молекулы испаряются из этой тонкой и широкой области гораздо быстрее, чем молекулы воды. В результате поток жидкости ползет по стеклу вверх, чтобы эту убыль компенсировать. И дело тут не только в выравнивании концентраций, но, как заметил в 1865 году итальянский физик Карло Марангони, и в минимизации поверхностной энергии пленки, так как поверхностное натяжение воды выше, чем у алкоголя.
«Винные слезы», также называемые «винными ножками»
Так что же происходит с этим восходящим потоком? На определенной высоте сила, связанная с градиентом коэффициента поверхностного натяжения, тянущая пленку вверх, и сила тяжести уже поднятого объема пленки уравновешиваются. Пленка перестает подниматься, поступающая жидкость накапливается в венчике, образующемся по периметру бокала. Подобно тому как поток жидкости из крана разбивается на капли, так, из-за неустойчивости Рэлея–Плато (см. главу 6, с. 75), оказывается неустойчивым и этот венчик. Вдоль него образуются более толстые и более тонкие области, что приводит к нарушению равновесия: жидкость из первых проливается вниз, и вино «слезится», стекая по поверхности бокала. При этом восходящий поток жидкости постоянно подпитывает венчик, так что процесс продолжается до тех пор, пока концентрация алкоголя в вине остается достаточной.
Условия появления «винных слез»
При каких условиях наблюдаются «винные слезы»? Мы уже знаем, сколь фундаментальную роль для их образования играет пленка вина, возникающая при вращении бокала. Эта пленка должна быть достаточно устойчивой, следовательно, ее поверхностное натяжение не должно быть слишком большим. Так, если в бокале находится чистая вода, поверхностное натяжение которой велико, то пленка не образуется. Для вина или водно-спиртового раствора поверхностное натяжение оказывается слабее, что и позволяет сформироваться пленке.
В случае водного раствора с достаточной концентрацией спирта (около 20 %), чтобы наблюдать явление винных слез, даже необязательно вращать бокал: пленка жидкости самопроизвольно ползет вверх по стенке бокала (говорят, что происходит «полное смачивание»), после чего из ее венчика начинают стекать капли. Об этом свидетельствуют два французских исследователя — Жан-Батист Фурнье и Анн-Мари Казаба.
Чтобы избежать насыщения атмосферы над бокалом парами спирта, ученые приняли меры предосторожности: спиртовой раствор наливали не в бокал, а в чашку расширяющейся формы. В атмосфере с высоким содержанием алкоголя испарение уже не происходит, или, точнее, поток испаряющихся молекул спирта компенсируется молекулами, возвращающимися из паров спирта обратно в раствор. Читатель может убедиться в этом сам: если накрыть бокал, по стенкам которого текут слезы, блюдцем, то они через несколько минут исчезнут. Если же теперь блюдце снять и подуть над бокалом, чтобы разогнать пары спирта, то процесс «плача» вина можно «перезапустить».
Отметим, что эксперименты Фурнье и Казаба проводились на растворах, содержащих исключительно воду и этанол. Очевидно, что в них никак не была отражена специфика самого вина при образовании его «слез». Более подробные исследования показали, что интенсивность винных слез зависит от содержащихся в вине танинов и сахаров! И напротив, вопреки распространенному мнению, на формирование винных слез наличие в вине глицерина влияет мало.
Пузырьки шампанского
Шампань — самый северный из винодельческих регионов Франции. Уже в Средние века здесь производили вино: красное, не игристое и, вероятно, не очень хорошее. В этом холодном климате процесс брожения (ферментация алкоголя) часто останавливался уже в середине осени, прежде чем содержащийся в винограде сахар полностью потреблялся дрожжами, активность которых возобновлялась лишь весной. К тому времени вино уже оказывалось в бутылках. Таким образом, создаваемый в процессе брожения углекислый газ в них накапливался и создавал избыточное давление, которое могло даже разорвать бутылку! Благодаря монаху-бенедиктинцу по имени Дом Периньон (1639–1715) виноделы Шампани научились использовать эту вторую ферментацию во благо, для создания знаменитого игристого вина — шампанского. Сегодня после проводимого в бочках первого брожения вина его повторное брожение вызывается искусственно, посредством добавления в него так называемого тиражного ликера — смеси виноградного или тростникового сахара, дрожжей и вина. Вино с добавлением этой смеси помещается в толстую, прочную и плотно закрытую бутылку. Через несколько месяцев на ее стенках начинают откладываться мертвые дрожжи — признак того, что вторичная ферментация завершается и добавленный сахар уже переработан в алкоголь и углекислый газ. В течение этапа выдержки, который может длиться до трех лет, этот осадок участвует в формировании насыщенных ароматов шампанского. Постепенно наклоняя и периодически поворачивая бутылку, этот осадок перемещают к горлышку. Когда приходит время дегоржировать шампанское, то есть удалить осадок, часть его замораживают (обычно погружением горлышка в жидкий азот), а затем бутылку откупоривают: находящийся под давлением газообразный углекислый газ вытесняет осадок вместе с заледеневшей частью напитка. Наконец, в каждую бутылку добавляется «экспедиционный ликер» — смесь шампанского и сахара. Именно этот последний процесс определяет, будет ли созданное шампанское сухим, полусухим или брютом. Теперь остается только вновь закупорить бутылку, закрепить пробку с помощью проволочной уздечки — мюзле, и продать… по цене, с лихвой покрывающей затраченную работу.
После того как бутылка куплена, рано или поздно она будет откупорена. Эта операция обычно вызывает более или менее обильный выброс пены. По какой причине? Дело в том, что в плотно закрытой бутылке скапливается выработанный в процессе вторичного брожения углекислый газ. Давление под пробкой к концу этого этапа достигает шести-семи атмосфер! Именно столь высоким давлением и объясняются взрывы бутылок, которые происходили весьма часто, пока промышленность не начала производить достаточно крепкие бутылки. Когда бутылку открывают, то давление в жидкости резко падает до атмосферного. Напомним, что количество газа, которое может быть растворено в объеме жидкости, тем больше, чем больше ее давление. При открывании бутылки давление резко падает, предел растворимости углекислого газа в шампанском значительно уменьшается, и высвободившийся по всему объему газ, образуя пузырьки, рвется наверх. Бутылка шампанского объемом в 0,75 л содержит около 9 г углекислого газа, что при нормальным давлении и температуре соответствует 5 л газа. Даже если доля газа, участвующего в бурлении шампанского, невелика (порядка 20 %), пузырьков хватает!
Пить игристое вино детям не рекомендуется, однако оно дает возможность их позабавить. Бросьте в бокал с шампанским кусочек шоколада, и вы увидите, как он сперва утонет, затем, через некоторое время, всплывет, потом снова утонет… Такое движение вверх-вниз может продолжаться довольно долго. Объяснение этого фокуса весьма просто: образующиеся в шампанском пузырьки облепляют кусочек шоколада и благодаря возросшей подъемной силе Архимеда тянут его вверх. У поверхности пузырьки лопаются, углекислый газ улетучивается в атмосферу, и более плотный, чем шампанское, шоколад снова погружается на дно бокала.
Бросив в бокал шампанского кусочек шоколада, вы увидите, как он сперва утонет, затем, через некоторое время, всплывет, потом снова утонет... Такое движение вверх-вниз может продолжаться довольно долго
Пузырьки не только играют с шоколадом, как с мячом. Они еще и перед своей гибелью исполняют симфоническую музыку: характерный треск, который не так давно был изучен физиками с помощью очень чувствительного микрофона. Для удобства исследование проводилось на мыльной пене, которая живет дольше. Что же показали записи? Если бы пузырьки лопались в пене случайным образом, то производимый ими звук должен был бы быть похожим на шум водопада или плохо настроенного радиоприемника — случайный «белый шум», имеющий одинаковую интенсивность на всех частотах. Однако исследователи услышали нечто иное.
Каждый хлопóк, который длится около 0,001 с, обычно запускает последовательность микровзрывов, которые воспринимаются нашим ухом как единый звуковой сигнал. Даже в том случае, когда некоторые пузырьки взрываются изолированно, такие единичные сигналы человеческое ухо не улавливает. Если бы разрывы пузырьков были независимыми случайными событиями, то каждый из них происходил бы с некоторой вероятностью 1 / τ на единицу времени, и в результате распределение временных промежутков t, разделяющих два хлопка, было бы сосредоточено вблизи определенной выше величины τ. Однако в случае шума пены шампанского это оказалось совсем не так: поскольку разрывы пузырьков — явление коллективное, то между последовательными хлопками имеется связь и никакого характерного времени τ между двумя разрывами пузырьков определенно быть не может.
Более того, можно доказать, что вероятность того, что время t разделяет два последовательных взрыва, оказывается пропорциональной 1 / t. Этому закону подчиняются многие природные явления, например, лавины и оползни. Они не имеют своего характерного времени или характерной мощности. Так, лавина может вовлечь в свое движение как несколько граммов снега, так и завалить дорогу. Пусть с меньшей, но не пренебрежимо малой вероятностью.
