Физика для чайников. Есть ли у воды кожа?

Данная публикация предназначена для российской блог-платформы «Дзен» и для распространения на других платформах.

«Есть ли у воды кожа?» – так называется рассказ в книге Л.Я.Гальперштейна «Забавная физика», помещённый в разделе «Наука о пузырях».

«Что за странный вопрос? – скажешь ты. – Конечно, нет!»
Но попробуй проделать несколько простых опытов с водой – и твоя уверенность поколеблется.

Уважаемый читатель!

В отличие от предыдущих показов картинок и рассказов из книг Я.И.Перельмана и Л.Я.Гальперштейна, в которых подробно разъяснялись опыты, в том числе мной делались кое-какие дополнения, начиная с этого занятия я намерен выборочно комментировать тексты вышеназванных авторов, надеясь на то, что все родители третьеклассников, кто желает чтобы их дети развивались в ногу со временем и разбирались самостоятельно в физике, химии и других не сложных предметах, уже скачали эти книги и занимаются со своими детьми по ним. Когда в школах и университетах начнут преподавать данные темы, ваши подростки будут знать гораздо больше школьной и университетской программ. Они преуспеют и в жизни быстрее, чем их сверстники. Во всяком случае, не будут задавать глупых вопросов, «есть ли кожа у воды» или её нет? Это – об оболочках капель воды!

Напомню, забавной Гальперштейн назвал физику не случайно. На самом деле это занимательные опыты, многие из которых я знаю с детства (потому что сам их провёл), позволяют определить достоверность гипотетических выкладок учёных и философов-теоретиков, коими нынче “пестрит” интернет, на которые ссылается «искусственный интеллект», не способный самостоятельно соображать.

Почему дают такие странные названия? Не для того, чтобы “заинтриговать” кого бы то ни было, а путаясь и не разбираясь досконально в естествознании, когда даже педагоги (печальный факт!) не отличают ПРОЦЕСС натяжения капель воды в поверхностном слое от названий: кожа, оболочка, пузырь, низкотемпературная плазма и прочие. Вот по этой причине мне приходится вставлять свои “три копейки” к данным, несомненно полезным для детей, экспериментам. 
 
Посмотрите картинки перед текстом, взятые из «Забавной физики». Три предмета (металлический шарик лежит на дне банки, восковой шарик плавает на границе раздела фаз «вода – масло», либо «вода – керосин», и лёгкий пенопластовый шарик, либо вырезанный из пробки) показывают, как ведут себя одинаковые по величине шарики в разных по плотности веществах. Мой жизненный опыт: не раз применял именно этот простейший принцип для разделения дисперсий одного и того же вещества (ультрадисперсного тефлона) по разным фракциям. Другими словами, данный метод весьма эффективен для разделения тонкоматериальных взвесей по величине получаемых частиц, размерами от микро- до наноразмеров.

В предыдущих публикациях уже описывались процессы для тонущих и плавающих предметов, в том числе мной повторён опыт со всплытием варёного яйца в концентрированной солёной воде. Легко сделать простейшую “подводную лодку”.

Более интересные опыты – с «маневрирующим» подводным судном, показанные на примере… виноградины в газированной воде! Вот выписка из текста книги:

«Ты, конечно, знаешь, что газированная вода, а также все фруктовые и минеральные воды, которые продаются в бутылках, насыщены газом под давлением. Но вот бутылка открыта, вода налита в стакан. Газ выходит в пене и брызгах. Но часть его ещё осталась. Эта часть продолжает постепенно выделяться, оседая пузырьками на стенках стакана.

В такой вот стакан со свеженалитой газированной водой брось виноградину. Она чуть плотнее воды и опустится на дно. Но на неё тут же начнут садиться пузырьки газа, словно маленькие воздушные шарики! Вскоре их станет так много, что виноградина всплывает. Но на поверхности пузырьки полопаются, и газ улетит. Виноградина вновь опустится на дно. Здесь она снова «обрастёт» пузырьками газа и снова всплывёт. Так будет повторяться несколько раз, пока вода не «выдохнется». Перед текстом в нижнем ряду показаны мои фото, на одном из них – только что сорванный виноград в воде. Виноградины гроздью не могут всплыть, но одинокие «маневрируют» вверх-вниз даже в обычной воде. Причиной является кожура винограда, насыщаемая атмосферным воздухом (винный сорт).

На этом фото не так заметно, как наяву. Каждая виноградина облеплена тонким слоем мельчайших блестящих пузырьков. Выглядит потрясающе!

Охлаждённые в холодильнике фрукты и ягоды непременно образуют «испарину» на поверхности защитной плёнки – посмотрите фото с половинкой арбуза. Если поместить такой охлаждённый объект в невесомость, он там будет плавать.

Возможно, в репортажах с МКС, многие видели, как ведёт себя вода в космосе. В невесомости капли приобретают форму шариков, которые летают, как мыльные пузыри. Происходит это, поскольку на Земле текучесть и другие физические свойства определяются градиентом давления между слоями капель воды: любые тела направлены из области с большей концентрацией энергии к областям с более низкой концентрацией. А внутри МКС доминирует принцип наименьшего действия напряжения на оболочку капель воды, – единственная форма, которая демонстрирует наименьшую концентрацию энергии в оболочке – сферическая (минимальная поверхность среди геометрических форм).

Интересен факт: в невесомости невозможно налить жидкость в стакан или бутылку. На Земле жидкость при наливании приобретает форму сосуда, а на МКС в посуде образуется множество мелких пузырьков, которые будут летать внутри, не смешиваясь друг с другом.

Обратите внимание на необычный снимок пузыря в невесомости. В нижнем ряду я разместил свои два необычных снимка. На одном из них – изучение структуры воды на просвет (обычным фонариком). Важно, что можно определить различие в концентрации поверхностной энергии по отражаемому фону в стенках стакана. Такой приём натолкнул меня на мысль произвести замер толщины оболочки капель воды посредством фоновой телеметрии:
http://proza.ru/2026/06/04/104 - Сенсация! Измерена толщина оболочки капли воды.

Поверхность воды ведёт себя как упругая, словно резиновая, перепонка или диафрагма. В книге «Забавная физика» показано, как сделать ныряющую рыбку – из пустой скорлупы яйца, мешочка из ткани и свинцовых дробинок, для настройки глубины расположения рыбки в воде. Поверх банки натянута резиновая перепонка (от лопнувшего воздушного шарика), плотно обтянутая ниткой. Простым нажимом на верхнюю оболочку рукой легко заставить рыбку нырять и всплывать в упругой воде на поверхность.

У настоящей рыбы пузырь расположен внутри примерно посередине. Сжатием мускулов она сдавливает пузырь. Объём его уменьшается, рыба идёт вниз. Если надо подняться – мускулы расслабляются, распускают пузырь. Он увеличивается, и рыба всплывает. Опять-таки, моя поправка к тексту Гальперштейна: не описан сам механизм увеличения объёма пузыря. Если в настоящей подводной лодке из ресивера (специального баллона) подаётся сжатый воздух под давлением, лодка всплывает, то процесс наполнения пузыря рыбы газом СО2 происходит прямо из воды.

Как известно (из справочников), среднее содержание растворённого СО2 в морской воде принято равным 0,75 мл/л. При этом в 1 л океанической воды может содержаться до 50 см^3 СО2. В пресной воде газов растворяется больше. При температуре 20°С и давлении 760 мм рт.ст. пресная вода, находящаяся в равновесии с атмосферой, содержит около 7,9 мг СО2 в 1 л.

В опыте с плавающими металлическими скрепками и модельными резинками, который я показываю чаще всего и объясняю детям, важно, чтобы предметы были СУХИМИ. Мокрые сразу тонут. Вопрос смачиваемости всегда стоит на первом месте. Предметы НЕ ПЛАВАЮТ, ОНИ ЛЕЖАТ НА УПРУГОЙ ПЛЁНКЕ ВОДЫ, как в гамаке. Достаточно одного неосторожного движения и предметы проваливаются сквозь упругую сетку, соединяющую соседние ОБОЛОЧКИ КАПЕЛЬ ВОДЫ.

КАЖДАЯ КАПЛЯ ВОДЫ НАХОДИТСЯ В СЕГРЕГАЦИЯХ ЭФИРНЫХ НИТЕЙ – ИХ ТОНКОМАТЕРИАЛЬНЫЕ СПИРАЛЬНЫЕ ФОРМЫ СТРУКТУРИРУЮТ ВОДУ И НЕ ДАЮТ РАЗБЕГАТЬСЯ КАПЛЯМ, КАК ЛОКАЛИЗОВАННЫМ ОБРАЗОВАНИЯМ, ВНУТРИ ОГРАНИЧИВАЮЩЕГО СОСУДА. ЭТИ ЖЕ НИТИ ОСУЩЕСТВЛЯЮТ СВЯЗИ КАПЕЛЬ ВОДЫ, ОБЪЕДИНЯЯ ИХ В КЛАСТЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ, И ОПРЕДЕЛЯЮТ ТАКОЕ СВОЙСТВО КАК ВЯЗКОСТЬ ВОДЫ. ПОСРЕДСТВОМ СЕГРЕГАЦИЙ ЭФИРА И ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ ПРИ ОПРЕДЕЛЁННЫХ УСЛОВИЯХ ОБРАЗУЕТСЯ ВЫПУКЛЫЙ ИЛИ ВОГНУТЫЙ МЕНИСК С МАТРИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ.

Ты, наверное, видел, как снуют по поверхности пруда жучки-водомерки. Они тоже скользят по поверхностной плёнке. Можно даже увидеть, как она прогибается.

Вторым фактором, который послужил возникновению идеи об измерении толщины оболочки капель воды, стала отражаемая в гранях стакана рефракция. Но это уже тема для отдельного рассказа.