Когда учёный совершает открытие, то обычно он произносит вовсе не «Эврика!», а «Хмм… Забавно...». Именно так было в случае Себастьяна Бьянки: наблюдения за кружкой чая вылились в нетривиальное исследование эффектов поверхностного натяжения воды.
Это произошло в 2008 году. В то время Бьянки был студентом-физиком Гаванского университета — одного из ведущих вузов Кубы. Однажды он заваривал мате — тонизирующий напиток с высоким содержанием кофеина. Готовят его следующим образом: в чашку насыпают измельчённые чайные листья, заливают их кипятком и дают настояться. Казалось бы, объекты, попадающие в струю воды, обязаны двигаться вместе с ней. Однако Бьянки заметил, что некоторые кусочки листьев умудрялись подняться по струе вверх и проникнуть в чайник. Каким-то образом они смогли пойти «против течения».
Тогда Бьянки обратился к физику из своего вуза по имени Эрнесто Альтшулер, который помог студенту поставить серию экспериментов. Правда, их результаты так и не были опубликованы в научном журнале. Альтшулер крайне заинтересовался всплывающими листьями и даже обратился к Трою Шинброту, коллеге из Ратгерского университета в США, с просьбой повторить некоторые из экспериментов.
Для своих опытов учёные взяли два сосуда и соединили их желобом. Сосуды заполнили водой, и один из них установили выше другого. Затем физики положили листья мате и измельчённые частички мела на поверхность воды в нижний сосуд. Вскоре и листья, и частички поднялись по желобу и очутились в верхней ёмкости.
Один из опытов вы можете посмотреть на видео ниже.
Почему так произошло? Конечно, речь не идёт о нарушении закона гравитации. Причина контринтуитивного поведения чайных листьев кроется в сложной гидродинамике. В исследовании, опубликованном в научном журнале Proceedings of the Royal Society A, авторы эксперимента показали, что поведение листьев определяется целым рядом факторов, связанных главным образом с эффектом поверхностного натяжения воды и существованием в ней вихревых токов.
Ключевая причина — эффект Марангони, открытый еще в 1855 году физиком Джеймсом Томсоном, старшим братом знаменитого лорда Кельвина. Томсона-старшего заинтересовало, почему возникают так называемые «слёзы вина». Вы сами могли наблюдать этот эффект, если внимательно рассматривали стенки бокала, в который налито немного крепкого вина. Вблизи поверхности жидкости на них вы могли заметить капли, «стекающие вверх».
Как они образуются? Вино в основном состоит из воды и этанола. Поверхностное натяжение этанола ниже, чем у воды. Если алкоголь растворён в воде неоднородно, то области, где больше воды и меньше алкоголя, имеют более высокое поверхностное натяжение и начинают подниматься по стенкам бокала, образуя тонкую плёнку. Поскольку этанол испаряется быстрее, чем вода, то в этих плёнках концентрация спирта начинает уменьшаться. Это приводит к ещё большему увеличению сил поверхностного натяжения в них — и плёнки начинают стягивать жидкость из бокала. Так и образуются слёзы вина. В конце концов они становятся слишком тяжёлыми, и силу поверхностного натяжения уравновешивает сила тяготения.
Подобные явления принято называть капиллярными. Именно за их счёт растения поднимают воду от корней к листьям, а керосин равномерно пропитывает фитиль керосиновой лампы. В случае растворённых в кипятке чаинок эффект Марагони приводит к возникновению циркулирующих потоков от дна к поверхности. Эти потоки и объясняют наблюдения Бянки.
Чашка чая не в первый раз подталкивает физиков к интересным экспериментам. Например, студент Даниэль Айвз из Колорадо в своём опыте заваривал листья китайской розы. Он установил стакан с кипятком на фоне белого листа, бросил листья на поверхность воды и сфотографировал все этапы процесса диффузии.
Айвз обнаружил, что в то время как листья розы впитывают воду и набухают, поглощаемая влага постепенно вытягивает из листьев растворимые чайные частицы наружу, в воду, где они диффундируют вбок и вниз до тех пор, пока не достигается состояние равновесия. Хотя листья тяжелее воды, но за счёт архимедовой силы они удерживаются на поверхности. Однако эта сила оказывается неспособной удержать воду с растворёнными в ней частичками, и она опускается вниз.
Кто знает, может, однажды Айвз и другие физики проверят также и утверждение писателя Джорджа Оруэлла о том, что «надо вливать заварку в кипяток, а не наоборот. Вода в момент слияния с заваркой должна по-настоящему кипеть, то есть чайник с кипятком нельзя снимать с огня».
Но если серьёзно, то удивительно, как много можно узнать об окружающем мире, изучая лишь простую чашку чая.
Источник: Nautil.us
Перевод: Екатерина Шутова
Читайте также
Лазерное излучение разрывает падающую каплю жидкости в слоу-мо
