Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Когда такая грозовая туча нависает над вашей головой, ярко-голубое небо сменяется зловещим сумраком, охватывающим всю равнину. Стоя на земле, мы оказываемся в центре схватки, происходящей над нашими головами. Мы не можем видеть молекул воздуха, но можем наблюдать клубящиеся и вздымающиеся над нами облака. Но созерцаемое нами – лишь слабый намек на драму, разворачивающуюся внутри облаков, где сгустки воздуха яростно сталкиваются между собой, поскольку дисбалансы давлений настолько велики, что перегруппировка молекул воздуха представляет собой очень быстрый и энергичный процесс. Когда молекулы воздуха обмениваются энергией, водяные капли охлаждаются и увеличиваются в размерах и на землю падают первые крупные капли дождя. Когда интенсивное движение молекул воздуха начинается даже у поверхности земли, поднимается сильный ветер.

Огромные грозовые облака напоминают нам о том, какой внушительный запас энергии присутствует высоко в голубом небе. Мы видим лишь последствия столкновений и перемещений молекул воздуха, происходящих у нас над головами, хотя даже эти последствия выглядят весьма впечатляюще. Тем не менее это только слабое отражение реальной драмы, разворачивающейся на молекулярном уровне. Молекулы воздуха могут поглощать энергию излучения Солнца, отдавать свою энергию океану, накапливать энергию от конденсации при формировании облаков или отдавать энергию, испуская ее в окружающее пространство; они постоянно приспосабливаются к изменениям обстановки, подчиняясь закону идеальных газов. Наша вращающаяся планета, с ее неровной и многоцветной поверхностью, усложняет эти перестройки; дополнительные сложности вносят облака, присутствие разнообразных крошечных частиц и наличие тех или иных конкретных газов. Прогноз погоды – лишь попытка сделать те или иные выводы на основании наблюдений за битвами у нас над головами и идентифицировать те процессы, которые окажут наибольшее влияние на нас, землян. Но в основе этих процессов лежат те же законы, которые использует слон, конструктор ракет и создатель парового двигателя, – законы газов в действии. Те же законы газов, которые заставляют лопаться попкорн, определяют погоду на нашей планете.

Любознательность присуща всем членам моей семьи. Они с удовольствием исследуют все новое, обожают экспериментировать и делают это без излишней суеты. Поэтому никто из них не удивился, когда во время семейного ужина я отлучилась на кухню, чтобы отыскать там бутылку лимонада и горсть изюма. Был чудесный летний день. Мы – то есть моя сестра, тетя, Нана и мои родители – решили поужинать на свежем воздухе и накрыли стол в саду моей мамы. На кухне я нашла двухлитровую бутылку дешевого газированного лимонада, содрала с нее этикетку и поставила бутылку на середину стола. Присутствующие наблюдали за моими действиями со спокойным любопытством. Я отвинтила крышечку бутылки и всыпала внутрь горсть изюма. Из горлышка бутылки взвилось маленькое облачко газа, а затем, когда шипение пузырьков прекратилось, мы увидели внутри бутылки множество танцующих изюминок. Я думала, что это зрелище развлечет присутствующих каких-то пару минут, но Нана и мой отец оказались им буквально заворожены. Бутылка с лимонадом превратилась в некое подобие лава-лампы[8]. Изюминки, сталкиваясь друг с другом, вращаясь вокруг собственной оси и пританцовывая, поднимались со дна бутылки к ее горлышку, а затем снова опускались на дно.

На стол уселся воробей, намеревавшийся склевать несколько крошек, и с подозрением уставился на бутылку. С другой стороны стола на бутылку не менее подозрительно уставился мой отец. «Этот фокус можно проделать только с изюмом?» – спросил он.

Ответ – «да», и по весьма веской причине. До того как вы снимете крышечку с бутылки с газировкой, давление внутри бутылки будет значительно превышать давление окружающего воздуха. В момент, когда вы отвинтите крышечку, оно резко снизится. В воде растворено значительное количество газа. Он удерживается в ней за счет высокого давления, но при его резком снижении газ может устремиться наружу. Проблема в том, что ему нужен путь для выхода из бутылки. Инициировать появление нового пузырька газа не так-то легко, поэтому молекулам газа гораздо проще присоединиться к какому-либо из уже существующих пузырьков. И тут на помощь приходят изюминки. Дело в том, что они покрыты V-образными складками, которые не на 100 % заполнены лимонадом. На самом дне каждой такой складки есть протопузырек – крошечный карман газа. Вот почему нужны изюминки или что-то другое, достаточно маленькое, морщинистое и чуть-чуть более плотное, чем вода. Газ выделяется из лимонада и попадает в протопузырьки, причем на каждой изюминке нарастает нечто наподобие «спасательного жилета» из пузырьков, который движется вместе с изюминкой. Сами по себе изюминки обладают большей плотностью, чем вода, поэтому под силой тяжести опускаются на дно бутылки. Но после того как на изюминке нарастет несколько пузырьков, ее плотность в целом снижается и изюминка начинает всплывать к горлышку бутылки. Там пузырьки, которые выбрались на поверхность воды, лопаются, и вы можете наблюдать, как изюминки переворачиваются, когда пузырьки, собравшиеся на их нижней стороне, поднимаются на поверхность и тоже лопаются. Полностью лишившись «спасательного жилета», изюминка начинает опускаться на дно бутылки, поскольку ее плотность снова становится больше плотности воды. Это движение туда-обратно продолжается до тех пор, пока из лимонада не выйдет весь избыточный углекислый газ.

Примерно через полчаса причудливый танец изюминок в бутылке с лимонадом практически прекратился, и лишь отдельные экземпляры изюминок продолжали неспешный путь вниз и вверх, а лимонад приобрел обескураживающий желтоватый цвет. Захватывающее зрелище круговорота изюминок в лимонаде превратилось в нечто, напоминающее бутылку мочи, доставленной в лабораторию для анализа, причем на дне бутылки скопились объекты, похожие на дохлых мух.

Впрочем, вы сами можете провести такой эксперимент. К тому же это прекрасный способ оживить скучную вечеринку. Только необходимо заранее запастись порцией изюма, сушеных ягод смородины или чего-нибудь в этом роде. Главное, чтобы пузырьки газа и ягоды становились одним целым и перемещались как одно целое. Когда изюминки обволакиваются воздушными карманами, они почти не изменяют своего веса, но зато занимают гораздо больше места. Отношение массы материала к объему заполненного им пространства называется плотностью, поэтому конструкция «изюминка плюс газовый пузырек» обладает меньшей плотностью, чем изюминка сама по себе. Сила притяжения может притягивать лишь материал как таковой, отчего менее плотные предметы испытывают меньшую силу притяжения к Земле. Именно потому некоторые объекты могут плавать: способность плавать – лишь один из уровней в гравитационной иерархии. Сила притяжения тянет плотные жидкости вниз, и любой объект, помещенный в некоторую жидкость, неминуемо всплывает на ее поверхность, если оказывается менее плотным, чем сама жидкость. Мы называем объекты, менее плотные, чем жидкость, в которую они помещены, плавучими.