Налейте молоко в стакан и оставьте на столе. Логика подсказывает: жир легче воды, поэтому должен всплыть мгновенно. Как масло в супе. Как пробка в воде.
Но молоко стоит час, два, три — и остаётся однородным. Белая жидкость, без намёка на расслоение.
Гравитация тянет камни вниз, дождь падает на землю, воздушные шары взлетают вверх. А молоко будто не замечает этих законов — и вот в чём причина.
Что происходит внутри стакана
Молоко — не жидкость. Это ловушка для физиков XIX века, которые пытались понять, почему оно ведёт себя так странно.
На самом деле молоко — эмульсия. Смесь воды и жира, где капли жира размером с песчинку висят в воде, не желая ни тонуть, ни всплывать.
Вот только эти «песчинки» в миллион раз меньше настоящего песка.
В одном миллилитре молока плавает 1,5-3 миллиарда жировых шариков. Их размер — от 0,1 до 10 микрометров. Один микрометр — это одна миллионная метра.
Чтобы понять масштаб: человеческий волос толщиной 50-100 микрометров. Жировой шарик молока в 50 разтоньше волоса.
А ещё в молоке плавают белковые комплексы — мицеллы казеина. Их размер ещё меньше: 30-300 нанометров. Это уже в тысячу раз тоньше волоса.
Почему размер всё меняет
В 1638 году Галилео Галилей задался вопросом: почему великаны из сказок не могут существовать? Ответ оказался в математике. Когда тело увеличивается, его объём растёт быстрее площади поверхности. Муравей таскает груз тяжелее себя в пятьдесят раз. Слон еле держит собственный вес. Всё дело в пропорциях.
Представьте куб со стороной 1 метр. Его площадь поверхности — 6 квадратных метров. Объём — 1 кубометр.
Теперь уменьшите куб в два раза. Сторона станет 0,5 метра.
Площадь поверхности: 1,5 м² (уменьшилась в 4 раза).
Объём: 0,125 м³ (уменьшился в 8 раз).
Видите закономерность? При уменьшении размера объём падает быстрее, чем площадь.
А теперь главное.
Масса зависит от объёма. Гравитация тянет вниз тем сильнее, чем тяжелее объект.
Но есть другие силы — поверхностные. Их величина определяется тем, какая у объекта площадь соприкосновения со средой. Вот эти силы: молекулы прилипают к поверхности, электрические заряды отталкиваются, плёнка поверхностного натяжения удерживает форму.
Для большого камня гравитация — царица. Камень падает вниз, и никакие поверхностные силы его не остановят.
Для жирового шарика размером 2 микрометра всё наоборот.
Его масса ничтожна. Гравитация на него почти не действует. Зато поверхностные силы — огромны относительно его веса.
И эти силы не дают ему всплыть.
Три силы, которые держат жир взвешенным
Чтобы жир всплыл, микроскопические капли должны слиться в крупные. Этому мешают три силы.
Электрический заряд
Каждый жировой шарик окружён тонкой оболочкой из фосфолипидов и белков. Эта оболочка заряжена электрически.
Все шарики заряжены одинаково — отрицательно.
Что происходит, когда два одинаково заряженных объекта пытаются сблизиться? Правильно. Они отталкиваются.
Вообразите такую картину: каждый шарик жира окружён невидимым силовым полем. Поля одинаковые, поэтому они отталкивают друг друга. Шарики могут плавать рядом, почти касаясь боками. Но пробить барьер и склеиться — невозможно. Отталкивание сильнее притяжения.
Так же ведут себя жировые шарики в молоке.
Они могут подплыть близко друг к другу, но слиться в одну большую каплю — нет. Электростатическое отталкивание не даёт.
А если капли не сливаются, жир не может собраться в сплошной слой и всплыть.
Водяная броня
Вокруг каждой капли жира формируется слой связанной воды. Молекулы воды прилипают к поверхности оболочки и создают дополнительный защитный экран.
Этот слой называется гидратной оболочкой.
Когда две капли пытаются слиться, им нужно сначала прорвать водяной барьер. Это требует энергии. Много энергии.
Система молока находится в состоянии, где ей выгоднее оставаться разделённой, чем тратить силы на слияние капель.
Вода держит жир в плену. А жир остаётся взвешенным.
Хаос молекул
1827 год. Шотландский ботаник Роберт Броун смотрит в микроскоп на пыльцу, плавающую в капле воды. И видит нечто странное. Пылинки дёргаются. Не плывут плавно по течению — именно дёргаются, словно кто-то толкает их с разных сторон. Рывок влево. Рывок вправо. Без всякой логики.
Не плавно плыли. Именно дёргались — хаотично, непредсказуемо, без остановки.
Броун умер, так и не поняв причину. Разгадка пришла в 1905 году — её принёс Альберт Эйнштейн.
Вода не стоит на месте. Её молекулы носятся как сумасшедшие, врезаясь во всё подряд. Жировой шарик постоянно получает удары со всех сторон. С одного бока стукнуло больше молекул — шарик дёрнулся. С другого бока компенсация — шарик дёрнулся обратно. Толчки неравномерны. Где-то ударило больше молекул, где-то меньше.
В результате шарик не падает вниз плавно. Его швыряет во все стороны одновременно.
Это называется броуновским движением.
Для камня весом килограмм эти толчки незаметны. Для жирового шарика весом одна триллионная грамма — это ураган, который не даёт спокойно осесть.
Гравитация пытается утопить шарик или всплыть его наверх. Но броуновское движение сбивает его с курса тысячи раз в секунду.
Итог: шарик зависает в толще воды.
Гравитация всё-таки побеждает. Но медленно
Оставьте свежевыдоенное молоко на сутки в холодильнике. Утром увидите тонкий слой сливок на поверхности.
Жир всплыл.
Гравитация никуда не делась. Она действует всегда. Просто на микроуровне её влияние настолько слабо, что процесс занимает часы, а не секунды.
Скорость всплытия частицы зависит от её размера в квадрате. Чем меньше частица, тем медленнее она движется.
Жировой шарик диаметром 2 микрометра всплывает настолько неспешно, что за время, пока вы выпьете молоко, он пройдёт расстояние меньше миллиметра.
Вот почему молоко в стакане выглядит однородным: гравитационному воздействию просто не хватает времени проявиться за наш короткий срок наблюдения.
Как человек победил природу
В XX веке молочная промышленность нашла способ сделать молоко ещё более устойчивым.
Процесс называется гомогенизация.
Молоко пропускают через узкое отверстие под давлением 15-25 мегапаскалей. Жировые шарики разбиваются на ещё более мелкие — размером меньше 1 микрометра.
При таком размере жир практически не всплывает вообще.
Магазинное молоко может стоять неделями — и не расслоится. Не потому что оно «ненатуральное». А потому что его частицы слишком малы для гравитации.
Современная физика взяла принцип природы и довела его до совершенства.
Что это означает
Мы живём в мире, где гравитация — закон. Яблоко падает на землю. Вода течёт вниз. Камень тонет.
Но в микромире главные — не массовые силы, а поверхностные. Не вес, а площадь. Не гравитация, а электрические заряды и хаотичные удары молекул.
Молоко — это не исключение из законов физики. Это урок: те же самые правила дают разный результат, когда меняется масштаб наблюдения.
Яблоко падает на землю — это работа Ньютона.
Жир в молоке не падает — это работа Эйнштейна.
Две разные физики. Один мир.
Важно: Статья носит исключительно информационно-познавательный характер. При возникновении вопросов о качестве или безопасности молочных продуктов обращайтесь к профессиональным источникам и специалистам.