Высота, на которую поднимается пленка, ограничена силой тяжести. Когда алкоголь испаряется из пленки, поверхностное натяжение стремится собрать оставшуюся воду в капли. Сначала из-за адгезии эти капли, «слезы» вина, продолжают подниматься, но в конце концов они становятся слишком большими, неожиданно отрываются и сбегают вниз по стенкам бокала. «Слезы» вина образуются, только если вино умеренно крепкое: смесь спирта и воды должна быть подобрана так, чтобы обеспечить нужное соотношение поверхностных натяжений поднимающейся жидкой пленки и жидкости в объеме.

Движение жидкости, обусловленное отличием поверхностного натяжения в одной области от поверхностного натяжения в другой, называется эффектом Марангони в честь одного из его исследователей. Этот эффект объясняет, почему иногда капли широко растекаются по твердой поверхности. Наблюдая за такой каплей, мы не видим, что перед ней имеется тонкий слой жидкости, в котором испарение идет быстрее, чем в остальной капле. Так же, как и в случае «слез» вина, если испарение превышает поверхностное натяжение оставшейся жидкости в этом тонком слое, в него натекает новая жидкость из капли, вызывая растекание капли по поверхности.

Обычно поверх крепкого ямайского ликера «Тиа Мария» («Тетушка Мария») наливают несколько миллиметров сливок. Пьют этот ликер через соломинку. Если этот напиток отставить в сторону на несколько минут, на его поверхности начинает происходить интенсивное движение, приводящее к образованию узоров из ячеек или трубочек, напоминающих червячков. С чем это связано?

ОТВЕТ • В одном или нескольких местах спирт диффундирует (медленно проходит) через сливки, уменьшая их поверхностное натяжение, обусловленное взаимным притяжением молекул на поверхности. Жидкая смесь спирта со сливками (у нее поверхностное натяжение небольшое) растекается по поверхности и попадает в те места, где остались сливки без примеси спирта (там поверхностное натяжение больше). В места, откуда эта смесь отошла, поднимается больше спирта и так далее. Сложно объяснить, почему сливки на поверхности ликера (точнее, их сопротивление движению) запускают процесс циркуляции жидкости, движущейся вверх и затем вниз, но он может привести к образованию на поверхности или одиночных ячеек, если слой сливок толстый, или напоминающих червячков или трубочки, когда слой сливок тоньше.

Пусть чашка с горячим кофе стоит так, что солнечный свет падает по касательной, почти параллельно его поверхности. Приглядевшись, вы заметите на кофе меняющуюся картинку: непрерывно образуются и перестраиваются светлые области, очерченные темными линиями (рис. 2.28). По имени одного из первых исследователей этого явления такие узоры называют ячейками Бенара.

Рис. 2.28 / Задача 2.90. Светлые области и темные линии на поверхности черного кофе.

Если налитое на сковородку масло нагревать на слабом огне, его поверхность практически не меняется. Но если огонь постепенно увеличивать, масло приходит в движение и образуются ячейки Бенара в форме многоугольников. (Чтобы увидеть эти узоры, обычно нужен скользящий свет.) Если огонь еще чуть прибавить, многоугольники упорядочиваются и образуется структура из шестиугольников, напоминающая пчелиные соты.

Если в прозрачный стакан с горячим чаем медленно по стеночке доливать молоко, оно будет опускаться на дно стакана. Продолжайте добавлять молоко до тех пор, пока три четверти стакана не смешаются с молоком. Через несколько минут на поверхности стакана, там, где есть молоко, могут появиться горизонтальные полосы.

С чем связаны все эти явления?

ОТВЕТ • Когда с поверхности кофе испаряется вода, поверхность остывает и жидкость там становится чуть плотнее. Поскольку в слое вблизи поверхности и на дне чашки температура (и плотность) кофе разные, возникает циркулирующий поток. Рассмотрим объем жидкости на дне чашки. Вокруг него жидкость имеет ту же температуру и ту же плотность, поэтому этот объем находится в стационарном состоянии. Однако случайное возмущение может отправить его вверх, в более холодный и более плотный слой жидкости. На него действует выталкивающая сила, и поэтому он не тонет, а, ускоряясь, движется вверх, попадая во все более холодную и плотную жидкость, где его направленное вверх ускорение возрастает. Так движение, вызванное случайным возмущением, становится все интенсивнее.

Подобным образом ведет себя и объем жидкости на поверхности. Если случайно он опустился в более теплые и менее плотные слои кофе, он все интенсивнее и интенсивнее, ускоряясь, будет двигаться вниз.

Поскольку у кофе есть открытая поверхность, на движение по ней влияет поверхностное натяжение — взаимное притяжение молекул воды друг к другу. Когда вода на поверхности остывает, поверхностное натяжение слегка увеличивается. Поэтому там, где имеет место нисходящий поток более холодной воды, поверхностное натяжение больше, чем там, где поднимается более теплая вода. Поскольку поверхностное натяжение разное в разных местах на поверхности, оно стремится «перетянуть» воду из поднимающихся областей на поверхности в опускающиеся. На месте этих областей образуется нечто вроде складок, несколько приподнятых относительно областей восходящего потока. Чем-то это напоминает гряды невысоких холмов, окружающих долины. В результате поверхность кофе разбивается на ячейки: широкие большие участки (долины), где поток жидкости поднимается на поверхность, и узкие (холмы) там, где жидкость опускается на дно чашки.

Когда более теплая вода достигает поверхности, часть ее испаряется, но пар быстро конденсируется в насыщенном влагой воздухе. Прямо над теми местами, куда выходят восходящие потоки воды, в воздухе образуются капли. Капли побольше падают обратно в жидкость, очень маленькие капельки уносят потоки воздуха над горячей поверхностью. Однако есть капли промежуточного размера, парящие над чашкой: их поддерживают восходящие потоки воздуха и пара над поверхностью горячего кофе. Когда дневной свет рассеивается на этих каплях, они становятся видимыми, придавая долинам белесый цвет. Холмы — это места, где парящих капель нет, поэтому там кофе имеет обычный темный цвет. Если к поверхности чашки с кофе поднести какое-нибудь наэлектризованное тело (например, пластмассовую расческу, которой вы только что причесались), электрические силы уничтожат парящие капельки и белесые области исчезнут.

Сходные циркулирующие потоки образуются и в слое масла на стоящей на огне сковородке. Кофе в чашке остывает на поверхности, а масло подогревается снизу, но это различие несущественно. Важно, что между верхней и нижней поверхностями жидкости устанавливается разность температур. Если эта разность температур превышает некоторое критическое значение, конвекционные процессы становятся неустойчивыми относительно случайных возмущений. Благодаря таким возмущениям объемы жидкости к поверхности и от поверхности двигаются в разные стороны. Когда подъемная сила и поверхностное натяжение преодолевают вязкость, образуются области поднимающейся вверх и опускающейся жидкости. В некоторых жидкостях благодаря такому движению на поверхности появляются узоры в виде завитков, с одной стороны которых жидкость поднимается, а с противоположной опускается. Многоугольники, которые можно заметить на поверхности масла, соответствуют обширным областям поднимающегося горячего масла и узким линиям там, где более холодное масло опускается. Как и в горячем кофе, поверхностное натяжение масла больше там, где оно холоднее. Поэтому масло на поверхности перераспределяется, перетекая из тех мест, где оно поднимается, туда, где оно движется вниз.