ОТВЕТ • Способность капель воды растекаться по твердой поверхности обычно называют смачиваемостью поверхности. Присмотревшись к капле, можно увидеть, что по периметру она соприкасается с плоской поверхностью под некоторым углом. Этот угол очень мал, если капля легко смачивает поверхность и, растекаясь, уплощается, становясь похожей на блин. Если капля плохо смачивает поверхность, она имеет выпуклую форму, а угол соприкосновения с плоской поверхностью больше. На листьях лотоса форма капелек близка к сферической — они вообще не смачиваются.

В частности, это связано с тем, что листья состоят из молекул, которые практически не притягивают молекулы воды (про такую поверхность говорят, что у нее высокая гидрофобность). Поэтому поверхностное натяжение (взаимное притяжение молекул воды) стремится максимально уменьшить площадь поверхности капли, придавая ей сферическую форму. Многие другие твердые поверхности, например некоторые листья, тоже гидрофобные, и на них тоже образуются капельки.

На листьях лотоса капли воды напоминают бусинки еще и благодаря особой микроструктуре поверхности. Листья покрыты микроскопическими выступами, и их поверхность напоминает утыканную гвоздями доску (рис. 2.29). Капля не может провалиться между выступами-гвоздиками, поскольку они состоят из гидрофобного материала и расстояние между ними гораздо меньше размера капли. Не попадая в заполненное воздухом пространство между выступами, капля «садится» на их верхушки. Поскольку контакт с поверхностью листа минимален, поверхностное натяжение может свернуть каплю в практически идеальный шарик. Тогда, если лист хоть чуточку наклоняется, капля не растекается, а скатывается по нему. По пути на нее налипает грязь и пыль. Так скатившиеся капли очищают лист.

Рис. 2.29 / Задача 2.93. Капля воды имеет почти идеальную сферическую форму на поверхности листа лотоса с игольчатой микроструктурой.

Самоочищающиеся предметы домашнего обихода основаны на том же принципе. Например, есть оконные стекла, которые не требуют мытья. На поверхности такого стекла имеются микроскопические выступы, и образующиеся при мелком дождичке капли стекают по стеклу вниз и собирают всю пыль, грязь и копоть. Это очень удобно, особенно если окна, как в небоскребах, находятся высоко над землей. Можно и машины покрыть самоочищающимся под дождем материалом.

[45]

Тля, сидящая внутри галла, должна избавляться от своих экскрементов, медвяной пади, иначе эта жидкость покроет насекомое и станет для него ловушкой, в которой оно утонет. Тля решает эту проблему, вынуждая жидкость выкатываться из галла. Как может жидкость выкатываться?

ОТВЕТ • Специальные эпидермальные клетки тли выделяют воскоподобное вещество, которое сначала склеивается, а затем дробится и превращается в порошок, покрывающий внутреннюю поверхность галла. Медвяная падь, выделяемая насекомым, сразу покрывается этим порошком. Кроме того, порошок создает микроскопические шероховатости на поверхности, на которую попадает падь. Как и капли воды на листьях лотоса в предыдущей задаче, медвяная падь собирается в шарики почти идеально сферической формы. Эти маленькие шарики не смачивают поверхность галла и не прилипают к ней и поэтому с легкостью выкатываются из него.

Шарик, обладающий теми же свойствами, можно сделать, смешав каплю воды с сажей или спорами плауна. Поскольку это гидрофобные материалы, их мелкие частички будут собираться на поверхности капли. «Одетая» капля, попав на такие привычные поверхности, как, например, горизонтальное оконное стекло, будет почти сферической. Обычно вода растекается слоем по стеклу, но теперь она собирается на нем капельками. На самом деле капельки «сидят» на микроскопических выступах, покрывающих их поверхность.

Почему кисть удерживает краску? Почему губкой для мытья посуды или бумажным полотенцем можно вытереть разлитую жидкость? Почему длинные мокрые волосы слипаются?

Многим нравится макать печенье (или бисквит) в горячий чай или кофе, потому что при высокой температуре улучшается их вкус и аромат. Почему печенье становится мягким и разваливается на части, если его держат в чае дольше нескольких секунд? Как надо опускать в чай печенье, чтобы его вкус и аромат стали лучше, но само оно осталось настолько твердым, чтобы его можно было откусывать, а не вылавливать из напитка?

ОТВЕТ • Щетинки кисти притягивают молекулы краски, втягивая ее в промежутки между собой. Поскольку в этом случае движение краски аналогично втягиванию жидкости в узкую трубку (капилляр), говорят, что на краску действуют капиллярные силы. Благодаря этим силам, когда кисть вытаскивают из банки, на кисти остается большая часть краски. Когда кистью с усилием водят по поверхности (например, по стене или холсту), краска частично просто счищается с кисточки, но, главным образом, она с нее стекает, поскольку щетинки моментально распластываются по поверхности. При этом расстояние, отделяющее щетинки друг от друга, увеличивается, капиллярные силы уменьшаются, и краска вытекает из кисти.

У кухонного полотенца и губки имеется много пор, в которые капиллярные силы втягивают жидкость.

Мокрая прядь волос не распадается благодаря слою жидкости с искривленной поверхностью, который соединяет соседние волоски. Если концы волос погрузить в воду, она начнет подниматься между соседними волосками, одновременно изгибая их, чтобы приблизить друг к другу.

Печенье состоит из небольших сухих крупинок муки, удерживаемых вместе каркасом из сахара. Когда печенье погружают в жидкость, капиллярные силы быстро втягивают ее в поры печенья. Горячая жидкость растворяет сахар, разрушая каркас, и крупинки муки распадаются. Если вы хотите пить кофе или чай с мучной гущей, опускайте вертикально печенье в жидкость целиком. Если же вам больше нравится есть печенье, погружайте его на короткое время, под наклоном и не полностью.

Когда нарезанную соломкой картошку (или тортильи — лепешки из кукурузной или пшеничной муки со специями) жарят в масле, на ее поверхности образуется красивая и вкусная корочка, а внутри картошка остается мягкой. Почему ломтики картошки поглощают масло и почему удерживают его большую часть после того, как картошку вынули из фритюрницы?

ОТВЕТ • Когда тонкие ломтики картофеля касаются масла, энергия, переданная от масла картофелю, повышает температуру его поверхности. После того как температура поверхности картофельных ломтиков достигает температуры кипения воды, вода в порах на поверхности начинает испаряться. Пузырьки пара вырываются из пор, и масло вблизи картофеля начинает бурлить. (Если фритюрница закрыта, начало этого процесса можно услышать.) Теряющая воду поверхность затвердевает. На ней образуется корочка, которая у нас ассоциируется с жареной пищей. Повышенная температура вызывает и некоторые химические реакции на поверхности, которые приводят к появлению характерного для жарящихся продуктов запаха.