1. Запуск

Наш путь начнется, как и у многих великих исследователей до нас, с кухни.

Когда мы смотрим на воду, то ожидаем, что она должна лежать ровно, но вода редко бывает ровной. Посмотрите очень внимательно на стакан с водой и вы заметите, что поверхность воды в стакане не плоская, она слегка загибается к краям. У нее есть "мениск". Этот изгиб мениска вызван тем, что вода притягивается к стеклу. Она притягивается к стеклу и прилипает к краям. Притяжение между водой и стеклом превращает то, что в противном случае было бы плоской поверхностью, в нежнейшую чашу с маленьким ободком.

Что толку от того, что мы это замечаем? Само по себе, возможно, не очень много. Но если собрать несколько частей вместе, это может стать ступенькой, которая поможет нам понять, почему река разливается.

Вода притягивается к стеклу, и это свойство воды. Некоторые жидкости, например, единственный жидкий металл, ртуть, отталкиваются от стекла, что приводит к образованию перевернутой чаши или "выпуклого мениска". Большинство жидкостей проявляют либо притяжение, либо отталкивание по отношению к другим веществам. Жидкости также слабо притягиваются сами к себе - если бы это было не так, они бы разделились и стали газообразными. Вода притягивается к воде. Молекулы воды, как нам втолковывали учителя естественных наук, состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода, и они крепко связаны друг с другом. Но учителя - по крайней мере, мои - не говорят нам, что атомы водорода в одной молекуле воды также притягиваются к атомам кислорода в других молекулах воды поблизости. И это заставляет воду прилипать к воде. Можно представить себе два воздушных шарика, потертых о толстовку, которые слабо прилипают друг к другу из-за статического электричества. Наука похожа, хотя и в мельчайших масштабах.

Очень легко продемонстрировать эту липкость воды. Возьмите стакан воды и вылейте несколько капель на ровную, гладкую, водонепроницаемую поверхность, например, на кухонную столешницу. Теперь опуститесь вниз, пока ваши глаза не окажутся на одном уровне с каплями. Видите ли вы, как вода формируется в ряд маленьких выпуклых лужиц? Она не опускается, пока не станет абсолютно плоской, а затем вся стечет со столешницы (часть стечет, если вы нальете достаточно, но часть останется). Вместо того чтобы полностью сплющиться и стечь, теперь есть группа маленьких перевернутых лужиц.

Это происходит потому, что притяжение воды к находящейся рядом воде, ее липкость или натяжение, достаточно сильны, чтобы противостоять гравитационному притяжению. Гравитация пытается потянуть воду вниз, чтобы она расплющилась и стекала на пол, но натяжение воды достаточно сильно, чтобы противостоять этому. Это одна из причин, по которой мы чаще тянемся за тряпкой, чем за шваброй, когда кто-то опрокидывает стакан с водой. Вода, оставшаяся на столе, тянет воду назад и не дает ей стечь на пол.

Выберите два больших бассейна, расположенных достаточно близко друг к другу. Если вы опустите палец в один из них, потянете его к другому и отпустите, мало что произойдет - бассейн немного увеличится в размерах, но не более того. Заметьте, что он имеет тенденцию немного уменьшаться, поскольку вода, которую вы потянули пальцем, мягко вытягивается обратно под действием притяжения воды, которую она оставила позади. (Если вы попробуете проделать это на разных поверхностях, то заметите, что количество и скорость обратного сжатия воды меняется от одной поверхности к другой, потому что это зависит от того, насколько сильно каждая поверхность притягивает воду). Но теперь, если вы протянете палец дальше, до тех пор, пока два бассейна не соприкоснутся друг с другом, посмотрите, что произойдет. Вода, которая оттягивалась назад своим родным бассейном, больше не оттягивается. Вместо этого она тянется к своему новому другу - бассейны соединяются в одно целое, скрепленное липкостью воды.

После одного из таких экспериментов, когда я подошел к очистке и протянул тряпку через маленькие бассейны, вода сделала то, что она делает всегда, но чего я раньше не замечал. Салфетка впитала большую часть воды - это ее работа - но оставшаяся вода "выгладилась" в тонкий ровный слой. Но этот слой остается ровным и тонким лишь секунду, после чего вода буквально стягивается, образуя сотни очень маленьких луж. Эти маленькие лужицы часто связаны между собой, придавая мокрому участку пестрый вид. Попробуйте, и вы поймете, что я имею в виду.

Леонардо да Винчи был очарован водой и внимательно наблюдал за ее "липкостью". Он любил наблюдать за тем, как маленькая капля воды не всегда мгновенно падает с нижней части ветвей деревьев. Да Винчи заметил, что когда капля становится достаточно большой, чтобы упасть, она делает это с некоторым сопротивлением. Примерно в 1508 году он заметил, что перед тем, как капля окончательно упадет, она растягивается до образования горлышка, и когда оно становится слишком тонким, чтобы выдержать вес капли, только тогда она падает.

Вы можете сами заметить этот эффект. Он очень красиво проявляется на концах листьев после дождя. Если дождь продолжается, вода стекает струйками с веток, сучьев и листьев, но вскоре после окончания дождя посмотрите на кончики листьев широколистного дерева или кустарника. Вода собирается и часто стекает по тонкому ребру в центре листа, а затем собирается на кончике. Капля висит там, натяжение или липкость воды теперь борется с гравитацией, и прежде чем наберется достаточно воды, гравитация преобладает, и капля падает. В этот момент лист часто изящно подпрыгивает, а затем процесс начинается снова.

Это напряжение в воде больше всего проявляется на поверхности воды. Поскольку молекулы воды у поверхности притягиваются вниз молекулами, находящимися под ней, но не притягиваются вверх ни одной молекулой, это приводит к натяжению поверхности, что, в свою очередь, придает воде вид тонкой кожи. Существует простой эксперимент, который доказывает две фундаментальные вещи: что вода имеет кожу, образованную поверхностным натяжением, и что это натяжение является результатом слабых связей между молекулами воды.

В этом фокусе, под которым я подразумеваю серьезный эксперимент, мы собираемся доказать, что поверхностное натяжение воды создает кожу, достаточно прочную, чтобы выдержать небольшой металлический груз. Для этого мы будем наблюдать, как игла плавает на воде. Единственная сложная часть - первая, потому что нам нужно очень, очень медленно и осторожно опирать иглу на воду, иначе игла пробьет поверхность воды и опустится на дно. Есть хитрый способ сделать это: Положите иглу на маленький кусочек промокательной бумаги (в наши дни ее найти немного сложнее, но все же она есть в большинстве канцелярских магазинов). Промокательная бумага медленно пропитается водой и опустится на дно чаши с водой, оставив иглу плавать.

Это доказывает, что поверхностное натяжение воды достаточно сильное, чтобы удержать маленький кусочек металла. Теперь нам нужно доказать, что именно электрическая связь между молекулами создает эту кожу. Мы можем ослабить связи между молекулами воды, добавив в воду немного моющего средства. Подойдет любое мыло - моющие средства работают отчасти потому, что они несут заряды, которые сводят на нет электрическое притяжение воды. Игла погружается. Если вы подойдете к большому водоему с неподвижной водой - пруду или озеру - где-нибудь на природе в летнее время, то, скорее всего, обнаружите оживленный мир насекомых. А наблюдая за насекомыми, вы сможете увидеть эксперимент с кожей воды в целом. Если вы хотите добиться наилучшего эффекта, направляйтесь к солнцу и не высовывайтесь; эти насекомые очень чувствительны к тому, что на них налетает, поэтому больше всего шансов застать их врасплох, если вы будете медленно и незаметно двигаться к свету. В солнечный день, если ваша тень находится прямо за вами, когда вы подходите к воде, вы увидите гораздо больше насекомых.

Насекомые есть в воздухе и много под водой, но одни из самых интересных - те, что сидят на поверхности. Почему они не падают в воду? Конечно, упали бы. Потому что поверхностное натяжение воды сильнее, чем сила тяжести, действующая на маленьких насекомых.

Для больших комков, как у людей, все наоборот, но это, по крайней мере, делает плавание более приятным. На данном этапе не стоит слишком беспокоиться о том, что это за насекомые. Со временем мы познакомимся с некоторыми из них, но стоит восхититься тем, как природа эволюционировала, чтобы максимально использовать поверхностное натяжение воды. Это одна из многих и многих причин, по которым моющие средства и дикая вода не являются счастливой комбинацией.

То же самое натяжение, которое приводит к тому, что вода прилипает к себе и стенкам стаканов, также отвечает за так называемое "капиллярное действие". Мы все хотя бы немного знакомы с идеей о том, что жидкости не всегда подчиняются гравитации. Каждый раз, когда мы окунаем кисточку в воду, мы наблюдаем, как вода течет вверх по волоскам, хотя наше понимание гравитации говорит нам, что вода не должна течь вверх таким образом.

Причиной такого капиллярного действия является простая комбинация двух эффектов, которые мы уже рассматривали. Вода притягивается к некоторым поверхностям, таким как стекло и волокна кисти, а также притягивается сама к себе. Поэтому, когда отверстие достаточно тонкое, происходит нечто интересное: Эффект мениска означает, что поверхность воды притягивается к материалу над ней и тянется вверх, а поскольку отверстие узкое, это тянет всю поверхность жидкости вверх. Затем, поскольку вода прилипает к самой себе, вода, находящаяся чуть ниже поверхности, также притягивается и следует за ней вверх. Чем более узкое отверстие, до определенного предела, тем драматичнее эффект.

Каждое растение, которое вы видите, от крошечной травинки до огромного дуба, зависит от капиллярного действия, чтобы доставить воду из земли к самым верхним листьям. Мы знаем, что в деревьях нет насосов, и все же тысячи галлонов - тонны воды - должны каким-то образом попадать из почвы на верхушки высоких деревьев. Без капиллярного действия это было бы невозможно.

Вернемся на кухню, причина того, что многоразовые чистящие салфетки, платочки и другие тонкотканые материалы так хорошо впитывают воду, заключается в том, что они были специально разработаны для максимального усиления капиллярного действия. Есть что-то необычайно приятное в том, как действительно хорошая салфетка впитывает воду вокруг себя, как магнит, без необходимости двигать ее. Это и есть удовлетворение от капиллярного действия. Пришло время взглянуть на этот эффект в более диком контексте. В следующий раз, когда вы будете проходить мимо небольшой реки, ручья или канавы с грязными берегами, посмотрите на грязь на берегу. Мы ожидаем, что грязь будет темной и мокрой там, где вода разбрызгивает ее, но обратите внимание, что она кажется мокрой выше, чем вода разбрызгивает, выше, чем любая вода может достичь.

Грязь над водой представляет собой смесь частиц и воздушных зазоров, немного похожую на мелкие соты из тонких трубок. Вода втягивается в эти зазоры под действием капиллярного эффекта, в результате чего грязь становится насыщенной выше уровня воды в канаве или ручье. На расстояние, которое вода может пройти вверх, влияет ряд факторов, включая ее чистоту - чистая вода поднимается выше, чем загрязненная, - но главным из них является размер зазоров между частицами. Вода поднимается гораздо выше в почвах с мелкими округлыми частицами, таких как ил, чем в почвах с крупными частицами, таких как песчаные. В крайних случаях вода может подниматься очень высоко в глине, но почти совсем не подниматься в гравии.

Давление воздуха также влияет на количество воды, которая поднимается вверх по почве и затем удерживается там во взвешенном состоянии. Это означает, что при резком снижении атмосферного давления, как это происходит при приближении грозы, почва не может удержать такое количество капиллярной воды, и она очень быстро стекает в местные ручьи, увеличивая вероятность наводнения во время грозы.

На этом месте стоит сделать небольшое отступление, чтобы продемонстрировать, как наблюдение за мельчайшими вещами может сочетаться с более широкими наблюдениями и дать нам более глубокое понимание происходящего. Давайте посмотрим, как грязный эксперимент на кухне может сочетаться с прогулкой по пляжу, чтобы помочь предсказать, может ли местная река разлиться.

На высоту моря влияет состояние прилива, на которое, в свою очередь, влияет множество факторов, о которых я еще расскажу, а здесь лишь упомяну, что к ним относится атмосферное давление. Когда атмосферное давление низкое, море будет выше, чем когда атмосферное давление высокое - разница примерно в фут - типична для системы от большого высокого до глубокого низкого давления. Чтобы помочь вам запомнить это, представьте себе систему высокого давления и ее прекрасное голубое небо, давящее на горизонт и опускающее море.

Представьте, что вы находитесь в хорошо знакомом вам прибрежном районе и вдруг замечаете, что море кажется выше, чем вы когда-либо замечали раньше, даже во время прилива. Это может навести вас на мысль, что атмосферное давление сильно упало. Это, в свою очередь, означает, что вы можете предсказать не только приближение плохой погоды, которая вероятна при падении барометра, но и повышенный риск наводнений, поскольку часть воды, удерживаемой капиллярным действием над всеми этими ручьями, канавами и реками, вот-вот выйдет наружу, еще до того, как упадет первая капля дождя.

Как только мы узнаем, что искать и на что это влияет, каждый участок воды, который мы видим, прекрасен, завораживает и является ключом к чему-то еще. Мы учимся видеть воду как часть сложной сети, матрицы, если хотите. В разное время эти навыки назывались магическими, а в последнее время — экстрасенсорными — они не являются ни тем, ни другим. Они являются плодами небольшого любопытства, осведомленности и готовности соединить точки.

В этом кружащемся водовороте главы мы рассмотрели воду на кухне, листья, ручьи и море. В нашем стремлении подражать великим, таким как Суперага, индийский специалист по водным ресурсам четвертого века, который «обладал глубоким знанием значения знаков», мы должны привыкнуть к мысли, что понимание воды в одной области поможет в другой.

Отправить