От динозавра до компота. Ученые отвечают на 100 (и еще 8) вопросов обо всем - Татьяна Зарубина

Однако этими соображениями научное сообщество не ограничилось. В 1996 году Шнобелевскую (Анти-Нобелевскую) премию из рук настоящих нобелевских лауреатов получил английский физик Роберт Мэттьюз. Ученый совершенно серьезно рассмотрел механическую задачу про соскальзывание бутерброда со стола на пол. В результате его исследований была получена полноценная формула, в которую входили размеры бутерброда, масса хлеба и масла, высота стола, угол, образуемый бутербродом со столом в момент отрыва от него, высота падения. Из теории Мэттьюза следовало, что бутерброд, соскальзывая со стола, приземляется маслом вниз. Многочисленные бутерброды, выпавшие из рук, ртов, брошенные со злости или слетевшие с подносов, остались вне его рассмотрения.

Обсуждаемый нами «закон бутерброда» является одним из вариантов известного закона Мерфи, его еще называют «закон подлости», который гласит: «Если что-то может пойти не так, то так, скорее всего, и получится». Еще в 1830 году немецкий ученый Иоганн Шмидт опубликовал книгу «Общедоступное изложение физики». В ней автор утверждал: «То, что бутерброд обычно падает маслом вниз, кажется, не более чем предрассудок. Но тот, кто захотел бы заняться исследованием положения центра тяжести бутербродов, нашел бы прекрасную возможность применить свою ученость без всякой пользы». Приходится и сегодня констатировать, что, несмотря на упомянутые выше попытки вывести «закон бутерброда», окончательного решения этот вопрос до сих пор не имеет. И нам остается лишь пожелать читателям постараться не ронять бутерброд во время еды.

Все знают, что компот состоит из воды, фруктов и сахара. Но что это значит с точки зрения химии?

С водой все понятно. Формула воды известна, и в компоте она самый главный компонент. Да и не только в компоте. Вода – одно из самых важных веществ на этой планете.

Теперь разберемся с сахаром. Вернее, не с сахаром, а с сахарами. Дело в том, что в бытовом, кухонном смысле под сахаром мы обычно подразумеваем сахарозу, именно она лежит у нас в сахарнице. В компоте же присутствуют и другие сахара, например глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар), попадающие туда из фруктов и ягод, а также образующиеся из сахарозы при варке и хранении. Все эти сахара обладают сладким вкусом и являются ключевыми источниками калорий.

Следующий важный компонент – это пищевые кислоты. Во фруктах и ягодах присутствует много разных кислот: лимонная, яблочная, виноградная, но не только. Можно отметить, что даже названия этих кислот очень «фруктовые» – они были даны кислотам по имени фруктов, в которых их впервые обнаружили. Однако если фрукты недостаточно кислые, то хозяйки нередко добавляют в компот немного пищевой лимонной кислоты.

Наконец, еще один важнейший компонент – это душистые вещества. Без них грушевый напиток ничем не отличался бы от яблочного или клубничного, так как и кислоты, и сахара есть и в том и в другом, причем примерно одинаковые. Именно различие в душистых веществах позволяет нам определить, что, собственно, мы пьем. Сахар и кислоту мы ощущаем языком, душистые вещества воспринимаем носом, а то, что мы считаем вкусом компота, является следствием взаимодействия этих двух ощущений.

Интересно, что не все душистые вещества попадают в компот из плодов. Это легко заметить, просто сравнив запах яблока и яблочного компота. В процессе варки вещества подвергаются разным химическим превращениям, они могут разлагаться или взаимодействовать между собой или сахарами, поэтому запах и вкус компота сильно отличаются от запаха и вкуса свежих фруктов и ягод. Кстати, параллельно с превращением душистых веществ протекают и превращения соединений, отвечающих за цвет. В результате напиток, как правило, становится светлее, чем исходные фрукты и ягоды, а тональность окраски смещается в сторону бурого.

Еще один ожидаемый (особенно мамами!) компонент компота – витамины. Но, к сожалению, большая часть водорастворимых витаминов не переживает варки.

Давайте поставим маленький эксперимент: в пустой стеклянный стакан нальем чай. Через несколько секунд поверхность окажется практически горизонтальной. Как это получается?

На все части легко меняющей свою форму жидкости действует вниз тяжесть, которая ее «успокаивает», послойно прижимая ко дну. Внутри возникает упругое давление, потому что каждый более глубокий слой будет «держать на себе» все слои жидкости, находящиеся выше. В результате давление изменяется строго по вертикали: чем глубже, тем оно сильнее. А внутри каждого слоя (и на дне) давление «успокоившейся» жидкости будет одинаковым во всех точках. Понятно, что в этом случае оказавшиеся на дне стакана чаинки никуда двигаться не будут.

А теперь размешаем чай ложечкой. Вода в стакане стала вращаться, и чаинки действительно собрались на дне в центре. Почему? Что принципиально нового привносит в поведение воды вращение? Оказывается, происходит существенное перераспределение сил давления воды. Первое, что мы заметим при размешивании, – вращающуюся поверхность воды уже никак не назовешь плоской. Ближайшие к оси вращения участки поверхности оказались заметно ниже тех, что касались стенок стакана. А произошло это потому, что при вращении вода по инерции «отбрасывается» к периферии, и чем дальше от оси вращения, тем этот эффект сильнее. Поверхность воды искривилась, образовав воронку. А помимо вертикального давления каждая точка поверхности начала испытывать еще и боковое. Известно, что разные точки поверхности жидкости будут двигаться тем быстрее, чем дальше они находятся от оси. Чем быстрее вращается слой, тем сильнее нарастает давление от оси к стенке. Учтем теперь, что самый низкий слой жидкости из-за торможения о дно будет передавать торможение и остальным слоям воды. Каждый более высокий слой будет тормозиться более низким. В результате получится, что чем ниже слой жидкости, тем медленнее он будет вращаться. Поэтому сильнее всего нарастать вдоль радиуса будет давление в самом верхнем слое.

Осталось сделать последний шаг. Из-за упомянутого выше различия во вращении слоев воды по вертикали появляющееся добавочное давление около стенок стакана будет падать с глубиной. Поэтому вращающаяся жидкость из самого быстрого верхнего слоя, будучи отброшенной к периферии, начнет «проваливаться» вдоль стенок вниз, запуская невидимую глазом вертикальную циркуляцию частиц воды. Самые низкие участки этих добавочных замкнутых движений, проходя по дну от стенок к центру, и «соберут» имеющиеся на дне чаинки около центра стакана.