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

Помимо супермаркетов существует обширная сеть складов-холодильников, судов-, поездов- и даже самолетов-рефрижераторов. Голубика, выращенная в Род-Айленде, может поступить в продажу в Калифорнии через неделю после сбора, потому что с того момента, когда она была собрана, и до момента, когда попала на полки супермаркета, она все время хранилась и транспортировалась в охлажденном состоянии. Мы можем не сомневаться в безопасности пищевых продуктов, поскольку на всем их пути до магазина к ним не было доступа тепловой энергии. Это касается не только продуктов питания. Многие лекарственные препараты также следует хранить при определенной температуре. Особенно нуждаются в охлаждении вакцины – подвергать их воздействию тепла совершенно недопустимо. Это становится серьезной проблемой при их доставке в развивающиеся страны. На протяжении всего пути для вакцин приходится поддерживать низкую температуру как в транспортных средствах, так и в местах промежуточного хранения. Холодильники и морозильные камеры у нас на кухнях и в медицинских учреждениях являются последним звеном в неразрывной цепи холода, которая тянется через всю нашу планету, соединяя фермы и города, заводы и потребителей. Когда мы подогреваем молоко, чтобы приготовить горячий шоколад, – это первый случай его нагрева с тех пор, как оно было получено от коровы и пастеризовано. Когда мы его пьем, не опасаясь за свое здоровье, это означает, что мы доверяем всей цепи холода, по которой его доставили к нам. Атомы молока были ограждены от доступа тепловой энергии на всем протяжении этой цепи, что позволило практически полностью исключить вероятность химических реакций, из-за которых оно бы испортилось. Иными словами, чтобы обеспечить пригодность пищевых продуктов к употреблению, нужно максимально оградить их атомы от доступа тепловой энергии.

В следующий раз, бросив кубик льда в какой-либо напиток, понаблюдайте за тем, как он тает, и вообразите микроскопические атомные колебания, отдающие энергию по мере передачи тепла от воды к кубику льда. Хотя вы не можете видеть сами атомы, вы по крайней мере можете наблюдать последствия передачи тепловой энергии от одних объектов к другим.

Пузырьки замечательны тем, что вы всегда знаете, где их искать: наверху. Они либо поднимаются туда, как в аквариуме или плавательном бассейне, либо толпятся наверху, как в бокале с шампанским или кружке с пивом. Пузырьки неизменно прокладывают себе путь на самый верх жидкости, в которой возникают. Но когда в следующий раз будете помешивать ложечкой чай или кофе в чашке, обратите внимание, что при этом происходит на поверхности жидкости. Прежде всего вы заметите воронку, по краям которой жидкость слегка приподнимается, а в центре образуется «отверстие». Что примечательно, пузырьки вращаются вместе с жидкостью у его нижнего края. Наверху жидкости и по краям воронки пузырьков нет. Они скрываются в нижней точке на поверхности и остаются там. Если вы попытаетесь растолкать их в стороны, они все равно вернутся на прежнее место. Если вы создадите новые пузырьки по краям, они по спирали вернутся к центру. Странно.

При помешивании чая ложечкой я оказываю давление на жидкость. Я толкаю ее вперед, но до внутренней стенки чашки жидкости нужно преодолеть очень небольшое расстояние. Если бы я помешивала ложечкой воду в плавательном бассейне, то вода, находящаяся перед ложечкой, двигалась бы вперед и продолжала бы движение до тех пор, пока не смешалась бы с остальной водой в бассейне. Но при помешивании чая этого произойти не может из-за очень ограниченного пространства. Так как боковая поверхность чашки не может никуда сместиться, она отталкивает в обратную сторону жидкость, которая на нее наталкивается, ведь чай не может пройти сквозь чашку и не может двигаться по прямой линии, поэтому начинает движение по кругу вдоль боковой стенки чашки. Но по мере развития процесса жидкость будет собираться у боковой поверхности чашки, поскольку лишь она способна оказывать противодействие жидкости, движущейся в ее сторону. Чай по-прежнему будет стремиться к движению по прямой, но ему придется двигаться по кругу ввиду кривизны боковой стенки чашки.

Это первый урок, касающийся вращения тех или иных объектов. Если бы вы внезапно убрали препятствие, мешающее первоначальному направлению их движения, они продолжили бы его в том направлении, в котором двигались в момент освобождения. Представьте дискобола, вращающегося вокруг собственной оси с диском в руке. После нескольких стремительных оборотов диск движется очень быстро, но по кругу, потому что дискобол надежно сжимает его в руке. В процессе вращения дискоболу приходится тянуть диск к центру вращения. Сила, с которой он тянет диск, направлена к центру вращения и совпадает с линией вытянутой руки дискобола. В момент, когда дискобол выпустит диск, диск начнет двигаться вперед по прямой линии, сохраняя направление и скорость, которые он имел в момент, непосредственно предшествующий раскрытию руки дискобола.

Когда я помешиваю чай, на его поверхности образуется «дыра», потому что каждая его капелька пытается двигаться по прямой, из-за чего наталкивается на боковую стенку чашки, тогда как в середине чашки остается меньше жидкости. Когда я прекращаю помешивать чай, «дыра» в середине чая остается, поскольку жидкость продолжает вращение. По мере замедления вращения стенки чашки оказывают все меньшее обратное давление на жидкость и в конечном счете его становится недостаточно для поддержания вращения жидкости. Жидкость, накопившаяся у боковой поверхности чашки, возвращается к центру. Весь процесс легко проследить в жидкости, которая может свободно двигаться и, следовательно, легко изменять форму.

А в центре кругов, образующихся в результате помешивания, можно наблюдать вращение пузырьков. Их наличие в центре говорит о том, что это место для них самое подходящее. Когда на столе стоит стакан с пивом, пузырьки поднимаются вверх, поскольку пиво выигрывает конкуренцию за право быть как можно ближе ко дну стакана. То же самое можно сказать о чашке чая. Пузырьки собираются в ее середине потому, что чай выигрывает конкуренцию за право двигаться к боковой стенке чашки. Жидкость обладает большей плотностью, чем газ, поэтому газ собирается в освободившемся месте, то есть у центра.

В современном мире масса вращающихся объектов: центрифуги для сушки одежды, дискоболы, карусели и гироскопы. Да и сама Земля вращается вокруг Солнца и одновременно вокруг собственной оси. Вращение – важный вид движения, так как позволяет проделывать множество интересных вещей. Иногда при этом задействуются колоссальные силы и огромные энергии, хотя фактически все остается на месте. Худшее, что может случиться, – вы просто вернетесь в то место, с которого стартовали. Пузырьки в чае – это только начало. Тот же принцип объясняет, почему не следует запускать ракету из Антарктики и как врачи определяют, достаточно ли у вас в крови красных кровяных телец (эритроцитов). Вращение также может играть важную роль в энергетической системе будущего. Все эти вещи проистекают из одного ограничения: отсутствия возможности двигаться по прямой.

Если вы движетесь по кругу, то должно быть нечто такое, что либо тянет, либо толкает вас внутрь, заставляя непрерывно менять направление. Это касается всего, что вращается, независимо от конкретной ситуации. Если убрать эту дополнительную силу, вы продолжите движение по прямой линии. Таким образом, если вы хотите двигаться по кругу, то в вашем распоряжении должно быть что-то, что обеспечит дополнительное усилие, направленное внутрь. Чем быстрее вы вращаетесь, тем большим оно должно быть. Гонки по замкнутому кругу относятся к числу наиболее зрелищных видов спорта: у них такое же достоинство, как и у всего, что вращается. Вы можете достигать огромных скоростей на сравнительно небольшом «пятачке», и зрителям не нужно гоняться за вами, чтобы не упустить деталей. Помещения для гонок в основном делают очень длинными, чтобы гарантировать, что на гонщиков будет воздействовать сила, направленная внутрь и достаточная для того, чтобы гонщика не вынесло за пределы трека. Самые очевидные примеры таких зданий – крытые велотреки. Но когда я впервые оказалась на одном из них, меня поразили не столько его размеры, сколько крутизна.