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

Значительную часть своей истории морские улитки тонули в воде. Но в какой-то момент в прошлом у «обычной» морской улитки день, что называется, не задался, и в ее защитную оболочку попал воздушный пузырек. Важная особенность плавучести заключается в том, что реальное значение для нее имеет лишь средняя плотность рассматриваемого объекта. Чтобы обеспечить его плавучесть, необязательно изменять его массу. Достаточно изменить величину занимаемого им пространства – а воздушные пузырьки занимают его немало. Однажды, очень давно, в защитную оболочку улитки попал более крупный воздушный пузырек, баланс нарушился и первая морская улитка начала постепенно подниматься со дна навстречу солнечному свету. Путь на поверхность моря был открыт – но лишь для улитки, которая запаслась довольно большим воздушным пузырьком. В действие вступили законы эволюции.

В наши дни Janthina janthina, наследница первых улиток, которые давным-давно ушли в небытие, – типичный обитатель теплых морей. Улитки, приобретшие ярко-фиолетовый цвет, выделяют такую же слизь, как и та, следы которой вы можете наблюдать ранним утром на камнях у себя в саду, и используют свое мускульное подножие для ее сворачивания и захватывания воздуха из атмосферы. Они строят для себя что-то наподобие плота из воздушных пузырьков, зачастую большего, чем они сами, чтобы их суммарная плотность всегда была меньше плотности морской воды, в которой они обитают. Они всегда плавают «вверх ногами» (плот из воздушных пузырьков вверху, раковина внизу), охотясь на проплывающих мимо медуз. Если на берегу моря вам встретится раковина фиолетовой улитки, вспомните все, что узнали о них из моей книги.

Плавучесть может быть весьма полезным свойством, способным кое-что поведать о содержимом плавучего объекта. Например, если вы возьмете две банки одинакового объема с газированными напитками – один диетический (с низким содержанием сахара), а другой обычный, сладкий на вкус, – то увидите, что банка с диетическим напитком плавает в воде, а со сладким – тонет. Объем банок один и тот же, разница в их содержимом. Все дело в большой плотности сахара. В стандартной (330 мл) банке со сладким газированным напитком содержится 35–50 граммов сахара, и именно эта дополнительная масса делает такую банку более плотной, чем вода, из-за чего банка в ней тонет. Масса подсластителя в банке с диетическим напитком ничтожна: по сути, в такой банке лишь вода и воздух, поэтому она плавает. Более полезный пример в этом отношении – сырое яйцо. Плотность свежего сырого яйца превышает плотность воды, поэтому оно тонет в холодной воде и лежит плашмя на дне сосуда. Но если свежее сырое яйцо полежит несколько дней в холодильнике, оно постепенно подсохнет, а, по мере того как вода будет просачиваться сквозь скорлупу яйца наружу, молекулы воздуха будут проникать в воздушный «карман» на скругленной стороне яйца, заполняя образовавшуюся пустоту. Яйцо, пробывшее в холодильнике примерно неделю, утонет в воде, но будет стоять вертикально, опираясь на свою заостренную сторону (дополнительный воздух, появившийся в яйце, будет располагаться ближе к поверхности воды). Но если такое яйцо целиком плавает на поверхности воды, значит, оно слишком долго лежало в холодильнике – так что лучше съешьте на завтрак что-нибудь другое!

Разумеется, если у вас есть возможность регулировать количество воздуха, который вы носите с собой, а также занимаемый им объем, то вы можете выбирать, плавать вам на поверхности воды или тонуть. Когда я начала изучать свойства воздушных пузырьков, я натолкнулась на статью, написанную в 1962 году. В ней безапелляционно заявлялось следующее: «Пузырьки создаются не только волнами, разбивающимися о скалы, но и гниющими материалами, отрыжкой рыб и метаном, выделяющимся с морского дна». Отрыжкой рыб? Для меня было очевидно, что эту статью писал один из так называемых кабинетных ученых, проводивший большую часть времени в каком-нибудь лондонском клубе, для кого бутылка портвейна гораздо ближе, чем реальный мир. Это показалось мне очень смешным, и я высказала свое мнение по этому поводу. Три года спустя, исследуя подводный мир у острова Кюрасао, я наткнулась на огромного тарпона (примерно полтора метра длиной), проплывшего мимо меня, выбрасывая через жабры большие количества отрыжки. На самом деле у многих костистых рыб есть воздушный карман, известный как плавательный пузырь, который помогает им управлять своей плавучестью. Умение настраивать свою плотность в соответствии с плотностью окружающей среды позволяет пребывать в состоянии равновесия и покоя. Плавательные пузыри тарпона необычны (тарпон – редкий пример рыбы, которая способна дышать непосредственно воздухом, а также извлекать кислород с помощью жабр), но я вынуждена признать, что тарпон действительно может отрыгивать через жабры. Тем не менее я настаиваю на том, что отрыжка рыб не может вносить существенный вклад в количество воздушных пузырьков в океане[18].

Последствия гравитации зависят от того, что к чему притягивается. Тауэрский мост – твердый объект, поэтому гравитация может изменить его положение, но не форму. Улитка также твердый объект; она перемещается в океанской воде, которая может ее обтекать, внося соответствующую поправку. Но газы обладают свойством текучести (благодаря этой способности и жидкости, и газы называются текучими средами). Твердые объекты, на которые воздействует сила притяжения, могут перемещаться в газах: шарик, наполненный гелием, и дирижабль поднимаются вверх по той же причине, по какой всплывает улитка с прилипшими к ней воздушными пузырьками. Они ведут «битву гравитации» с окружающими их текучими средами – и проигрывают.

Таким образом, присутствие постоянной гравитационной силы может порождать неустойчивость, что вообще-то означает наличие несбалансированных сил, и объекты будут менять свое положение до тех пор, пока не достигнут баланса. Если какой-либо твердый объект становится нестабильным, он переворачивается или падает, а любая окружающая его жидкость или газ просто обтекают его со всех сторон, создавая пространство для перемещения. Но что происходит, когда нестабильная вещь не отдельно взятый твердый объект наподобие шарика с гелием, а сама текучая среда?

Чиркните спичкой, зажгите фитилек свечи – и вспыхнет сноп яркого, раскаленного газа. Пламя свечи веками озаряет своим мягким теплым светом человека, склонившегося над рукописью, группу заговорщиков, школьников, корпящих над домашними заданиями, и влюбленных. Воск – мягкое, непритязательное топливо, и потому его преобразования еще более удивительны. Но это столь знакомое каждому из нас желтое пламя представляет собой компактную мощную печь, выделяемого тепла которой вполне достаточно для разрушения молекул и создания крошечных алмазов – причем все это формируется и «вылепливается» гравитацией.