Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

Капающий чайник

Для истинных британцев, к которым я себя причисляю, употребление чая – часть культурного наследия. Поэтому, казалось бы, разобраться с проблемой капающего чайника должны именно мы. Однако окончательный вердикт по этому вопросу вынесла четверка ученых из Лионского университета. Именно они обнаружили, что некоторые особенности чайника все же нельзя предсказать с помощью гидродинамики. (Следует отметить, что открытие было сделано исключительно потому, что до этих французов никто не удосуживался рассмотреть проблему капающего чайника с точки зрения физики.)

Считается, что еще до появления чайников людям удалось установить интересный факт. Когда через трубку (такую как носик чайника) протекает большое количество жидкости, природа поверхности трубки (ее гидрофильность или гидрофобность) не должна иметь значения. Однако сегодня мы точно знаем, что она важна. Традиционное лекарство от капающего чайника – просто смазать маслом край его носика. Но этот давно известный способ всегда казался мне глупой затеей: лучше я пролью половину своего чая на скатерть, чем буду пить его с маслом.

Французская команда ученых обнаружила, что роль играют три фактора. Во-первых, скорость потока жидкости: чем быстрее поток – тем меньше капель. Во-вторых, радиус кривизны края носика: чем он тоньше и острее – тем лучше. Ну и, наконец, природа поверхности: как вы уже наверняка догадались по примеру с маслом, гидрофобный, то есть водоотталкивающий, материал носика гарантирует, что вода не будет стекать по стенке, а соберется в крупную каплю.

Как же формируются капли на носике чайника? Струя чая сбегает с носика, и немного жидкости всегда прилипает к его самому краю. Если поверхность носика не водоотталкивающая, чай прилипает к ней лучше и тянет струю жидкости назад к нижней части носика. Величина, на которую струя чая оттягивается назад, зависит также от угла ее соприкосновения с поверхностью, а он, в свою очередь, определяется кривизной и толщиной стенки носика. Поток чая может оттянуться достаточно далеко назад, цепляться за нижнюю сторону носика и стекать каплями. Но чем выше будет скорость потока жидкости, тем незначительнее окажется это расстояние, а значит, и капель мимо чашки прольется меньше.

Какими бы ни были гидродинамические причины появления этих раздражающих капель из чайника, едва ли вам послужит утешением их понимание, если таким «недугом» страдает ваш собственный чайник. Конечно, вы можете попробовать наливать чай быстрее, но обычно это заканчивается тем, что на столе остается еще больше чая, поскольку в итоге он переливается через край. И все же есть еще один трюк – я подглядел его в китайских ресторанах. Это искусственное изменение носика чайника. Если натянуть на него короткий отрезок прозрачной пластиковой трубки и срезать ее под углом, получится тонкий, острый и, главное, водоотталкивающий носик. Такой трюк действительно решает проблему. Но все же имейте в виду: выглядит это ужасно – независимо от внешнего вида чайника.

Если ни одно из этих решений вам не подходит, все, что вы можете сделать, это нанести на нижний край носика слой гидрофобного материала – только не масла, раз уж мы выяснили, что оно вам не по душе. Современная наука располагает множеством сверхгидрофобных материалов, но, к сожалению, они очень дороги и их трудно достать. Однако есть исключение – самая обычная сажа. Слой сажи, скажем от свечи, обеспечит вам поверхность, которая никогда не будет мокрой: вода просто соберется на ней в каплю и упадет вниз. Подержите носик чайника над пламенем свечи, пока он не почернеет, и вытрите сажу с его верхней части и внутренней стороны. Если все сделать правильно, отныне чайник не будет раздражать вас надоедливыми каплями. Возможно, на нем останутся частички сажи, но, как по мне, это все же лучше, чем масляные разводы в чае.

Кухонные весы и килограмм

На мой взгляд, цифровые кухонные весы – один из величайших даров цивилизации XXI века. Они занимают мало места, невероятно просты в использовании и умеют переключаться между различными единицами измерения. Можно даже поставить сверху чашу и обнулить показания. И все же эти весы почти наверняка будут нам врать.

Скажем, я положу на весы кусок сыра, и они покажут 153 г. Могу ли я быть уверен, что сыр действительно весит 153 г? Если вы внимательно посмотрите на весы и заглянете в инструкцию, то увидите, что у таких устройств всегда есть погрешность – например, у моих весов она ±5 г. Таким образом, на самом деле мой кусок сыра может весить от 148 до 158 г. Конечно, это не имеет большого значения для моих рецептов, но важно понять, могу ли я утверждать, что хотя бы этот диапазон правильный. Возможно ли это в принципе – точно, со стопроцентной уверенностью определить вес чего-либо? Ответ – да, но только если речь идет об одном маленьком объекте во Вселенной.

Скорее всего, мои весы сделаны где-то в Юго-Восточной Азии, и внутри у них есть так называемый тензометрический датчик, который преобразует силу давления груза, положенного на весы, в электрический сигнал. Тензометрические датчики состоят из множества параллельных и невероятно тонких полосок металлической фольги. Когда на весах лежит груз, эти полоски растягиваются и становятся еще тоньше. В результате меняется их электрическое сопротивление, и микропроцессор весов, обнаруживая это изменение, преобразует его в величины на дисплее. В процессе изготовления весов микропроцессоры калибруют таким образом, чтобы они распознавали показания тензометрического датчика для двух реперных точек[8] – 0 граммов и 1 килограмм. Так микропроцессор вычисляет вес всего, что кладется на весы. В ходе калибровки используется тестовый груз, вес которого составляет ровно 1 кг. Работники завода уверены в этом потому, что тестовые гири взвешиваются на еще более точных весах, изготовленных на другом заводе, с применением еще более точных гирь, и так далее. Поскольку любой набор весов опирается на образцовый, а сам образцовый имеет свой образец, каждый последующий стандартный килограмм все больше приближается к идеалу. Но где же заканчивается эта цепочка? Если вы решите проследить ее до самого конца – или, скорее, начала, – она приведет вас в пригород Парижа.

В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам объявили об учреждении Международной системы единиц, или СИ, как