Однажды один русский помещик задумал переселить своих крепостных из деревянных изб в каменные дома. Помещик искренне был убежден в том, что он совершает «благодеяния» для своих крестьян. Однако крестьяне отнеслись к его затее без всякого воодушевления. Они восприняли переселение в каменные дома, как несчастье. И за день до переселения сожгли новые постройки. Кто же был прав? Барин ли, проклинавший «дикость» крепостных, или же крестьяне, боявшиеся каменных стен?
Когда в верхнем этаже дома не хватает воды в трубах водопровода, мы знаем, что причина этого заключается в недостатке мощности насосов, поднимающих воду вверх. Но ведь самый верхний лист самого высокого дерева содержит воду. А расстояние от корней до этого листа измеряется иной раз десятками метров и у дерева нет никаких насосов для поднятия воды. Какая же сила снабжает деревья водой, заставляя ее подниматься на большие высоты?
Для того чтобы обеспечить водоснабжение поселка или завода, мы ищем иной раз воду на больших глубинах. Но уже в 15—20 сантиметрах от поверхности почва влажная. Откуда же там вода даже жарким летом, после того как долго не было дождей?
Если на поверхности земли грунт состоит из связанных между собой частиц (например, чернозем, лесс*, ил, оставшийся после разлива реки), то в сухое время года под действием солнца и ветра такой грунт раскалывается во всех направлениях. Появляются широкие и глубокие трещины. После дождей трещины закрываются, и поверхность земли вновь делается ровной и единой. Какая же сила заставляет почву сжиматься и вновь увеличивать свой объем?
И какая сила заставляет растрескиваться срубленные стволы деревьев, особенно, если с них снять кору и оставить на солнце?
(*Лессом называют грунт, состоящий из частиц глины, растительного перегноя, извести, железняка, шпата, слюды и очень небольшого количества песка)
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ И КАПИЛЛЯРНОСТЬ
ОТВЕТ на все эти вопросы заключается в том, что вода, как и другие жидкости, обладает особыми свойствами — поверхностным натяжением и капиллярностью.
Вода, как и все окружающие нас вещества, состоит из мельчайших частиц — молекул. Сцепляясь между собой, молекулы воды образуют каплю — шарик, как бы стянутый по своей поверхности эластичной пленкой.
Откуда образовалась эта пленка?
Молекулы, находящиеся в глубине капли, окружены «соседями» со всех сторон. «Соседи» живут в дружбе — они с силой притягиваются друг к другу, причем силы притяжения справа уравновешиваются такими же силами слева, притяжение сверху — притяжением снизу, и т. д. Иное положение у молекул на поверхности жидкости. Силы притяжения действуют на них только с одной стороны. Молекулы верхнего слоя втягиваются внутрь капли, и, притянувшись к молекулам предыдущего слоя, они как бы образуют упругую натянутую поверхностную пленку.
Смачивая твердое тело, капля воды повисает на нем, не падая вниз, так как силы молекулярного сцепления внутри капли и силы натяжения молекул по ее поверхности больше силы притяжения ее Землей, то-есть больше тяжести этой капли. Посмотрите, какие большие капли воды висят иногда на проводах. Только в том случае, когда несколько капель слились вместе и их общий вес преодолевает силы натяжения и сцепления, вода падает вниз.
Слово «капиллярность», обозначающее другое важное свойство жидкости, происходит не от слова «капля». На латинском языке, который долгое время был международным. языком
науки, слово «капиллус» означает волос. Физики называют капиллярными сосудами настолько тонкие трубки, что их трудно или даже иногда нельзя увидеть невооруженным глазом.
Вода обладает замечательным свойством подниматься вверх по капиллярным трубкам. Это происходит потому, что сила поверхностного натяжения воды, то-есть сила сцепления молекул, находящихся на поверхности, больше чем сила внутреннего сцепления молекул. Когда одна поверхностная молекула прилипает к внутренней поверхности капилляра (то-есть смачивает ее), другая старается занять ее место, подтягивается выше и забирается на предыдущую; за ней; следует третья, четвертая.
Молекулы движутся, словно бесчисленная толпа крохотных человечков, которые подталкивают друг друга, теснятся, лезут один на другого, изо всех сил упираются спинами, руками и ногами в стенки трубки, все время меняются местами, стремясь все выше и выше. А внизу, там, где трубка опущена в воду, с неослабевающей силой упорно напирает: бесчисленная толпа.
Крохотные и очень подвижные, молекулы лезут все время вверх, пока не наполнят капилляр. Здесь кончается движение, и система приходит в равновесие. Надолго ли? Нет. Вода испаряется. По мере ее испарения из капилляра снизу неутомимо прибывают пополнения. Теперь можно ответить на вопрос о «насосах» дерева. Вы, наверное, уже догадались, что
никаких насосов нет, и вода поднимается по капиллярам.
КТО ЖЕ БЫЛ ПРАВ: ПОМЕЩИК ИЛИ КРЕСТЬЯНЕ?
НЕУДАЧИ насильственного поселения крестьян в каменных домах часто объясняли дикостью, серостью, неразвитостью «мужика».
На самом же деле, все эти нелестные отзывы нужно было скорее отнести к «барину» при всех его, допустим это, хороших намерениях. Барин хотел слепо подражать загранице, а крестьянин не хотел менять деревянную, старую, покосившуюся, но сухую избу на новый, кирпичный, но сырой дом.
Слов нет, во много раз лучше каменные стены, чем деревянные. Но кирпич и строительный раствор, образовав одно целое в стене, имеют в себе множество мельчайших пустот. Если нижняя часть стены находится в земле или ничем не отделена от фундамента, то силы поверхностного натяжения и капиллярности начинают действовать в стенах так же, как в живом дереве. Стены насыщаются водой, и никакая усиленная топка и вентиляция здания не могут спасти от назойливой сырости и связанных с ней болезней.
Стены должны быть отделены от фундаментов надежной, — плотной,
не пропускающей воду изоляцией, в которой не могут образоваться капиллярные ходы. Поэтому на верхнюю грань фундамента строители обязательно кладут вещества, не пропускающие воду. Если бы изоляции не было или она была бы плоха и разрушалась от времени, сырость. неудержимо овладевала бы зданием.
РАБОТА ВОДЫ В КАПИЛЛЯРАХ
ЧТО же происходит при движении воды по капиллярным ходам? Сила поверхностного натяжения стремится расширить капилляры. Этим объясняются все явления разбухания, то-есть увеличения объема при смачивании водой. Поэтому увеличивается в объеме топорище, опущенное с насаженным на него топором в воду.
Наоборот, при высыхании уходящая из капиллярных ходов вода, действуя той же силой, уменьшает эти ходы. Поэтому-то и происходит усадка, то-есть общее уменьшение объема тела. Поэтому-то и трескается срубленное дерево, пригретое солнечными лучами.
Большие силы развиваются при движении воды по капиллярам. Они доходят до 100 килограммов на один квадратный сантиметр. Чтобы оценить эту силу, напомню, что в паровозных котлах давление пара составляло 15—20 атмосфер (примерно 15—20 килограммов на квадратный сантиметр), то-есть давление пара в паровозном котле в пять раз меньше, чем сила поверхностного натяжения волы.
Вода поднимается по капиллярным сосудам тем выше, чем меньше диаметр. сосуда. Если в стакане поверхностное натяжение. заставляет подниматься воду у внутренних стенок на высоту, почти незаметную глазу, то в трубке диаметром в 1 сантиметр вода поднимается на 3 миллиметра, а если диаметр трубки уменьшить в тысячу раз — до 0,003 миллиметра, (— то вода поднимется на 10 метров. Деревья обладают тончайшими капиллярами, позволяющими воде подниматься очень высоко. Тончайшие капилляры образуются и в стенах.
А вот с землей дело обстоит несколько иначе.
Грунт, по которому мы ходим и на котором строим: различные сооружения, разделяется на две основные категории. Одна категория — это зернистые грунты, в которых много песчаных частиц, другая — грунты связные, то-есть глины, черноземы, лессы. Зернистые грунты сухие, так как явления капиллярности у них `почти отсутствуют, а связные грунты, где явления капиллярности бывают очень велики, обычно влажны.
Знание свойств грунтов и законов движения в них воды имеет большое значение для строителей. Очень часто приходится вести работы зимой. Это не смущает строителей. Цементный раствор, на котором ведут кладку фундамента, замерзает, а летом оттаивает и затвердевает. Для твердения нужна влага, поэтому такой метод можно осуществлять при возведении сооружений на зернистых грунтах. Если строить зимой на связанном грунте, например на богатом капиллярами лессе, то фундамент будет непрочен. Вода уйдет по капиллярам в грунт, и раствор высохнет, не успев затвердеть. Это только лишь один пример. Таких примеров можно было бы привести много, но вывод ясен: скрытые силы воды — могучие силы. И если не относиться к ним с должным уважением, они могут причинить немало неприятностей.