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

Винчестер – небольшой прелестный городок на юге Англии. Главные его достопримечательности – старинный кафедральный собор и великое множество типично английских кафетериев, где на изящных тарелках подают внушительных размеров ячменные или пшеничные лепешки. Город особенно живописен летом, когда буквально утопает в разнообразных цветах, которые особенно эффектно смотрятся в солнечных лучах, льющихся с ярко-синего неба. Представшая перед вами картина кажется неправдоподобно красивой, как на почтовой открытке. Но однажды я оказалась в Винчестере зимой. В тот день шел снег и небо было хмурым, но город показался мне даже красивее, чем летом. Надев теплые пальто и укутавшись шарфами, мы прошлись из конца в конец по главной улице, пока не достигли небольшой речушки, берега которой были укрыты снегом. Вообще говоря, моя любимая вещь в Винчестере не имеет ничего общего со старинными каменными домами, изящными тарелками с ячменными лепешками или названием города, связанным с королем Артуром. Причина, по которой мы в холодный зимний день совершили неблизкую прогулку через весь город, была гораздо прозаичней: нам хотелось посмотреть на уток. Мы пошли вдоль берега и вскоре заметили их.

Как только мы приблизились, одна из уток, прохаживавшихся по берегу, взмыла в воздух и, перелетев через кромку прибрежного льда, плюхнулась в воду. А затем занялась тем же, чем и другие утки, плававшие в реке: окунула клюв в воду, выпрямила шею и энергично заработала лапами. Время от времени утка потряхивала крыльями, вздымая вокруг себя фонтанчики брызг. Переплывая с места на место, она пыталась найти какой-нибудь корм. Речушка в этом месте довольно мелкая, но быстрая. На ее дне растут водоросли, которыми питаются утки. И птицам не составляло бы большого труда их достать, если бы не быстрое течение. Чтобы оставаться на одном месте, уткам приходилось изо всех сил грести лапами. Речушка была для уток чем-то вроде «беговой дорожки». Наблюдать за утками, пытающимися преодолеть быстрое течение, я могу до бесконечности. Это доставляет мне неописуемое удовольствие. Все они энергично гребут лапами, а их туловища повернуты в одну сторону.

Стоявший рядом с нами маленький мальчик взглянул на свои заснеженные ботинки, затем указал на утку, стоявшую на льду у берега, и задал своей матери вполне логичный вопрос: «Почему у утки не мерзнут лапы?» Мама не ответила, поскольку в этот момент на реке начали разворачиваться весьма интересные события. Одна из уток, непрестанно работающих лапами, подобралась слишком близко к другой утке, что вызвало большой переполох: хлопанье крыльев, тучи брызг и громкое кряканье. Самым смешным было то, что, как только завязалась драка, обе утки прекратили грести и их сразу же начало относить течением. Пока течение делало свое дело, они громко крякали, выражая возмущение. Но внезапно осознав, как далеко оказались от прежнего места, они забыли друг о друге и начали изо всех сил грести лапами, пытаясь туда вернуться. Правда, для этого им потребовалось немало времени.

Вода в реке была очень холодной, но казалось, что утки не чувствуют холода. Дело в том, что у уток сформировался замечательный механизм предотвращения потери тепла через лапы. Здесь нам придется еще раз вспомнить о таком явлении, как теплопередача. Если что-то теплое поместить рядом с чем-то холодным, то более быстрые и энергичные молекулы теплого объекта будут ударяться о молекулы холодного объекта, передавая ему свою энергию. Именно поэтому поток тепла движется от теплых объектов к холодным: малоподвижные молекулы не могут отдавать энергию более быстрым; все должно происходить строго наоборот. Поток энергии от теплых объектов к холодным продолжается до тех пор, пока их температура не уравняется, то есть пока не будет достигнуто состояние равновесия. Реальную проблему для уток представляет кровоток в лапах. Он начинается от сердца, теплового центра утки, где температура крови составляет 40 ℃. Когда эта кровь поступает в конечности, находящиеся под водой, температура которой близка к точке замерзания, возникает большая разница температур. В результате кровь очень быстро отдает свое тепло воде. Затем, когда кровь возвращается в тело утки, теплая утка отдает свое тепло охладившейся крови, вследствие чего ее тело охлаждается. Утки могут несколько ограничивать поток крови к лапам, что препятствует переохлаждению их крови; впрочем, это не решает проблему полностью. Здесь используется гораздо более простой принцип, а именно: чем больше разность температур между двумя соприкасающимися объектами, тем быстрее происходит переток тепла от одного объекта к другому. Этот принцип можно сформулировать иначе: чем ближе между собой температуры двух объектов, тем медленнее происходит переток тепла от одного объекта к другому. Именно это помогает решить проблему переохлаждения уток.

Когда утки продолжали неистово грести, теплая кровь поступала в артерии их лап. Но артерии пролегают рядом с венами, по которым кровь возвращается из лап в тело утки. Кровь в венах имеет пониженную температуру. Молекулы в теплой крови бомбардируют стенки кровеносных сосудов, что приводит в более энергичное движение молекулы в крови с пониженной температурой. Теплая кровь, поступающая в лапы, несколько охлаждается, а кровь, возвращающаяся в тело, немного прогревается. Еще ниже по лапе утки артерии и вены в целом оказываются холоднее, но все же остаются более теплыми, чем вены. Поэтому тепло передается от артерий к венам. При движении крови вниз по лапам утки тепло от ее тела передается в кровь, которая возвращается по венам в тело утки. Но это тепло не передается в самый низ, к лапам. (Речь идет именно о тепле: кровь как таковая поступает и в лапы.) К моменту, когда кровь утки достигнет ее перепончатых лап, ее температура практически сравнивается с температурой воды. Поскольку лапы ненамного теплее воды, они теряют очень мало тепла. А затем, когда кровь течет обратно, к туловищу утки, она прогревается кровью, которая движется от туловища к лапам. Это называется системой теплообмена за счет противотока крови. Такая система – фантастически остроумный способ избежать потерь тепла, опасных для жизни птицы. Позаботившись о том, чтобы тепло не передавалось лапам, организм утки почти полностью исключил возможность потери энергии подобным образом. Следовательно, утки могут спокойно стоять на льду именно потому, что у них всегда холодные лапы. Впрочем, самих уток это не волнует.

В животном мире подобная стратегия развивалась многократно. В хвостах и плавниках дельфинов и черепах похожее расположение кровеносных сосудов. Поэтому в холодной воде они могут поддерживать внутреннюю температуру на требуемом уровне. Похожее расположение кровеносных сосудов и у песцов. Их лапы все время напрямую контактируют со льдом и снегом, однако это не мешает им сохранять тепло в жизненно важных органах. Система очень проста и в то же время чрезвычайно эффективна.

Поскольку у меня и моей спутницы не было столь эффективной системы поддержания тепла в организме, наше пребывание на заснеженном берегу реки было непродолжительным. Понаблюдав еще за несколькими мелкими кратковременными ссорами уток и выразив свое восхищение этими замечательными созданиями (наверняка самыми потешными в мире), мы решили, что самое время подкрепиться фирменными ячменными лепешками в каком-нибудь кафетерии.

⁂