2.85. Притягивающиеся кукурузные хлопья

Если ваш завтрак — залитые молоком хрустящие кукурузные колечки марки «Чириос», вы заметите, что два плавающих в тарелке недалеко друг от друга колечка притягиваются. Почему так происходит? Почему, если в молоко бросить много колечек, через несколько минут они соберутся в группки? И почему колечки скапливаются и у стенки миски? Все это — проявления так называемого эффекта «Чириос».

ОТВЕТ • Благодаря поверхностному натяжению поверхность молока вблизи колечек приподнимается (рис. 2.26). Это значит, что притяжение воды, входящей в состав молока, к краю колечка настолько сильно, что она поднимается вверх, несмотря на направленную вниз силу тяжести. Если два колечка подходят близко друг к другу, поверхность молока между ними искривляется, приводя к появлению сближающей их силы. Сближение колечек можно объяснить и в терминах энергии. Искривленной поверхности соответствует большая энергия. Хлопья сближаются, чтобы уменьшить кривизну поверхности между ними и тем самым понизить энергию.

Рис. 2.26 / Задача 2.85. Два плавающих в молоке колечка.

Из-за поверхностного натяжения вблизи стенки миски поверхность молока тоже изогнута вверх. Поэтому, когда колечко приближается к стенке миски, поверхность молока между ним и стенкой искривляется очень сильно, а значит, возникает сила, подтягивающая колечко к стенке. Если в миску до краев налить молока, а затем добавить еще чуть-чуть, так, чтобы поверхность молока оказалась выше края, поверхность молока вблизи него изогнется вниз. В этом случае колечко, оказавшееся возле края миски, будет отталкиваться от него. Это физическое явление — причина недовольства многих посетителей пабов, заметивших плавающие в стакане воды соринки. Можно ли добиться того, чтобы соринки не прилипали к стенке стакана?

Плоское обоюдоострое лезвие бритвы может плавать, если его осторожно положить на воду. В отличие от кукурузных хлопьев, бритва плавает чуть ниже уровня окружающей воды, так что вблизи нее поверхность воды искривляется вниз. Но поверхностное натяжение сближает и плавающие рядом бритвы, поскольку при этом поверхность между ними уплощается, а следовательно, понижается энергия.

Обычно материал называют гидрофильным (происходит от древнегреческих слов «вода» и «любовь»), если вода к нему притягивается, и гидрофобным (производное от слов «вода» и «боязнь»), если вода к нему не притягивается. Два плавающих тела из гидрофильных материалов притягиваются, даже если они находятся на довольно большом расстоянии друг от друга. Так же ведут себя два тела из гидрофобных материалов. Однако гидрофильное и гидрофобное тела отталкиваются друг от друга, поскольку, если они сближаются, увеличивается кривизна поверхности, что требует затрат энергии.