Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Этот невероятный опыт показывает, что идеальные ламинарные потоки не перемешиваются, даже когда жидкость вращается в смесителе. Поэтому этот процесс обратим. Когда вы мешаете чай или кофе, то просто разгоняете жидкость, которая движется в ламинарных потоках. Такой способ помешивания вполне привычен, но с точки зрения физики гораздо быстрее и эффективнее мешать турбулентным способом. Например, мешая содержимое сосуда в одном направлении, потом резко останавливаясь и мешая в противоположную сторону. Я мешаю чай так турбулентно, что проливаю на кухонный стол почти половину содержимого чашки (гости часто укоряют меня в том, что я даю им маленькие порции).

Если вы готовите чай по старым рецептам, из рассыпной смеси, а не из пакетиков, вы, возможно обратили внимание на еще один любопытный с точки зрения науки эффект. Когда вы сильно мешаете чай ложечкой, его крупинки собираются в центре чашки и движутся по направлению ко дну, вместо того чтобы прижиматься к внутренним стенкам, как можно было бы ожидать. Поначалу они действительно движутся в сторону от центра, но стоит вам прекратить мешать, как движение жидкости замедляется из-за трения между нею и стенками, а также дном чашки. Это создает вторичное завихрение, которое затягивает воду от стенок чашки к центру, втягивая туда же и крупинки чая, которые под действием своего веса оседают на дне, а водоворот чая все еще кружится над ними. Кто еще обращал внимание на этот полезно-бесполезный пример науки на кухне? Альберт Эйнштейн в своей малоизвестной работе, опубликованной в 1926 году[257].

Происшествие с заварным кремом

Чашка чая всегда остается чашкой чая. Независимо от того, как долго вы мешаете его и делаете ли это по-своему (ламинарным способом) или по-моему (турбулентно), чай остается собой. Жидкости, которые ведут себя таким простым способом, называются ньютоновскими: они подчиняются классическим законам физики, сформулированным Ньютоном в XVII веке.

Но не все жидкости такие. Это я открыл, на свою беду, одним школьным утром, когда мне было то ли 12, то ли 13 лет. Я был на уроке кулинарии (которая тогда называлась «домоводством» или, может быть, «домашним хозяйством»), и мне в первый раз показывали, как делать заварной крем. У меня поначалу выходило неплохо, но потом я запоздал с помешиванием, и крем подгорел со дна кастрюльки. Я оставил его остывать и забыл о нем до конца урока, когда уже не оставалось времени на спасение ситуации. Делать нечего, и я понес пол-литра подгорелого холодного заварного крема в рюкзаке домой. Там в голову мне не пришло ничего лучшего, как слить крем в раковину на кухне. Большая ошибка! По мере того как я оттирал его от стенок кастрюльки и яростно мешал, масса сильно разбухла. То, что поначалу представляло собой желтоватую водянистую смесь, превратилось в толстую желеобразную массу. О нет! Я попытался помешать ее еще, но это только ухудшило дело. Чем больше я волновался и чем яростнее мешал смесь, тем плотнее она становилась. В итоге она превратилась в подобие кусков каучука. Мне пришлось их вычерпывать деревянной кухонной ложкой и заталкивать в сливное отверстие мойки.

Только через 10 лет я понял, что же тогда произошло, теперь уже во время лекции. Большинство жидкостей (например, чай и вода) являются ньютоновскими, но другие мы могли бы назвать неньютоновскими. Приложите к ним силу – и они не просто сместятся или будут вращаться, как чай при помешивании. В зависимости от своей молекулярной структуры они станут либо более вязкими (дилатантные), либо более текучими (псевдопластичные). Заварной крем (и всё, что содержит кукурузную муку) относится к вязким жидкостям; кровь, кремы для лица, кетчуп, зубная паста и даже мокрота – к псевдопластичным. Вы встряхиваете бутылку с кетчупом, чтобы сделать его более текучим (прикладываете к нему силу, вызывая деформацию сдвига, чтобы сделать его псевдопластичным). Возможно, вы много раз видели (но не придавали этому значения), что зубная паста работает так же. Она выползает из тюбика, как толстый и ленивый червяк, но уже через секунду-другую волшебным образом превращается в текучую жидкость. Псевдопластичные жидкости доставляют нам гораздо меньше хлопот, чем вязкие, и обнаруживать их гораздо интереснее. Например, естественная мокрота в легких при приложении к ней усилия (кашель) легко покидает тело через рот. Возможно, неприятный пример, зато точный.

▲ Кетчуп: псевдопластичная неньютоновская жидкость. Сами по себе волокна томатов связываются в бутылке с кетчупом в некое полувязкое образование. В таком виде соус извлечь из бутылки трудно. Но стоит встряхнуть его, и вы разорвете полувязкие связи, тогда жидкость из бутылки вытечет легко.

Опыты с блендерами

И ламинарные, и турбулентные потоки активно используются в кухонных блендерах. Большинство таких машин очень мощные и легко превращают овощи в пюре и супы. Мой ручной блендер имеет мощность 700 Вт. Это чуть меньше, чем у моей большой стиральной машины. Многие из нас не очень хорошо представляют себе, что такое 700 Вт, но если вы изучите табл. 2, то увидите, что это в 70 раз больше мощности, которую вы развиваете (не без усилий) с помощью пусковой рукоятки. Однако такие блендеры или даже более мощные настольные иногда не могут мелко порубить какие-то продукты. Вместо того чтобы измельчить, скажем, морковь в единообразную субстанцию, они режут и режут ее на всё более тонкие кружочки. Почему? Потому что, как только блендеры начинают резать овощ, содержащаяся в нем жидкость начинает вращаться с той же скоростью, и машина просто перемешивает ламинарные потоки. Если вы хотите, чтобы блендер обрабатывал продукты эффективнее, стоит работать с ним импульсами, включая и выключая мотор. Пульсация создает более хаотичные, турбулентные потоки, в которых упрямая морковка будет падать на ножи и измельчаться, а не вращаться вместе с ними по стенкам блендера, подобно оранжевым мотоциклистам, ездящим по вертикальным стенкам в цирке.

Если вы будете очень осторожны и осмотрительны, то с помощью блендеров можно продемонстрировать ряд интересных опытов с гидродинамикой. Наполните высокий стакан или специальный прозрачный пластиковый мерный стакан блендера до половины водой и опустите в нее работающий блендер. Очень осторожно (еще раз подчеркну это, потому что эти кухонные устройства очень опасные) поднимите сосуд с водой повыше и посмотрите, что будет происходить с ней по мере того, как вы будете включать и выключать мотор. Вы увидите необычные вихревые потоки воды, а также зарождающиеся большие воздушные пузыри, которые будут вращаться вместе с водой и исчезать. Если блендер достаточно мощный, вы увидите, что он создает достаточный импеллерный (самовсасывающий) эффект, чтобы держать вес контейнера с водой. Когда вы включите блендер и он наберет максимальные обороты, попробуйте осторожно приподнять его. Возможно, у вас всё получится и мерный стакан с водой поднимется вслед за блендером.