Читать книгу Теория Большого взрыва. Наука в сериале - Дэйв Зобель - Страница 10

ПЕННИ: ТАК ЧЕМ СЕГОДНЯ ЗАЙМЕМСЯ? ЗАРУБИМ В ХЕЙЛО? ПОСМОТРИМ «ЗВЕЗДНЫЙ КРЕЙСЕР ”ГАЛАКТИКА“»? ПОБРОСАЕМ МЕНТОС В ДИЕТИЧЕСКУЮ КОЛУ?

ЛЕОНАРД: ТЫ ХОЧЕШЬ ПОСМОТРЕТЬ «ЗВЕЗДНЫЙ КРЕЙСЕР»?

ПЕННИ: НУ А ЧТО ПОДЕЛАТЬ. Я СЕГОДНЯ БОТАНЮ ПО ПОЛНОЙ.

«СОСЕДСТВО С МЕРТВОЙ ШЛЮШКОЙ» (СЕЗОН 2, ЭПИЗОД 19)

В «Хейло» можно играть часов десять, а то и больше, «Звездный крейсер ”Галактика“» можно смотреть дней десять, а вот конфетка в бутылке газировки принесет десять тонн радости в секунду. И в отличие от «Хейло» (научно-фантастическая видеоигра) и «Звездного крейсера “Галактика“» (научно-фантастический сериал), диетическая кола и Ментос являются экспериментом из раздела «Сделай сам», имеющим твердые научные корни.

ו Шаг первый: добавьте несколько драже Ментос в только что открытую бутылку диетической колы или любой другой газировки.

• Шаг второй: теперь время приступать к уборке.

В тот же момент, когда Ментос коснется газировки, из бутылки вырвется мощная струя пены. При идеальных условиях извержение может достигнуть более 4,5 метра.

Ментос – название мятных драже, распространяемых компанией Perfetti Van Melle. Наравне со словами «сутки» или «чернила», оно не имеет разных форм для множественного и единственного числа.

Этот феерический эффект вовсе не является результатом химической реакции между драже и газировкой. С химической точки зрения, ничего нового не создается, все компоненты гейзера остаются неизменными. Они просто одновременно освобождаются и прекрасно иллюстрируют изменения физических свойств.

Изменения физических свойств – изменение физической формы вещества, но не его химического состава, то, что происходит, когда тает лед, кофе перемалывается, вода и почва образуют грязь, а углерод кристаллизуется в бриллиант

Химические изменения – изменение химического состава вещества, как, например, происходит при соединении уксуса и пищевой соды с последующим образованием пены, неочищенная нефть превращается в бензин, а бамперы ржавеют.

Углекислый газ (CO₂) – это газ, который заставляет газировку пузыриться. В запечатанной бутылке CO₂ растворен, плавая в маленьких пузырьках, которые трудно различить невооруженным глазом. Давление не дает им сливаться в более крупные пузырьки. Поэтому-то закрытая бутылка газировки и выглядит как обычная жидкость.

Открыв бутылку, мы сбрасываем давление, позволяя крошечным пузырькам собраться в большие и устремиться к поверхности. Драже Ментос помогает сделать это гораздо быстрее и неаккуратнее. Чем больше драже, тем быстрее поток и тем больше беспорядка. Но почему?

Если вы заглянете в стакан газировки, вы увидите потоки пузырьков, появляющиеся ниоткуда и устремляющиеся вверх. На самом деле они образуются на поверхности практически невидимых царапин и неровностей внутренних стенок стакана. Производители даже специально создают сеть специальных царапин на дне пивных кружек или формируют стеклянную бусину на дне бокала для шампанского, чтобы создать очаги нуклеаризации приятных глазу пузырьков.

Нуклеаризация – соединение маленьких пузырьков или капелек в большие, обычно вокруг неровностей или посторонних предметов.

Мыльный пузырь, парящий в воздухе, имеет приблизительно сферическую форму. Но как только он коснется мокрой поверхности куска мыла и его нижняя часть больше не соприкасается с воздухом, поверхностное натяжение превращает его в купол. По той же причине, когда микроскопический пузырь растворенного углекислого газа касается микрократера или микроканьона на поверхности стекла, он теряет свою идеальную форму и сплющивается.

Другие проходящие микропузырьки скапливаются в том же самом месте, собираясь в один большой пузырь, который скоро становится достаточно большим и плавучим, чтобы отделиться от своего очага нуклеаризации. Пузырь начинает подыматься к поверхности жидкости. По дороге он подбирает еще больше углекислого газа и становится еще плавучее. Ко времени, когда он достигает поверхности, он уже довольно большой и двигается достаточно быстро. А тем временем внизу формируется еще один пузырь, и весь процесс повторяется сначала.

Невооруженному глазу кажется, что драже Ментос имеет очень гладкую, почти глянцевую поверхность и похоже на M&M-переросток. Под микроскопом же видно, что его поверхность покрыта крошечными углублениями и трещинами, как раз идеального размера для того, чтобы разбавленный микропузырек CO₂ смог там закрепиться. Фактически шероховатая поверхность Ментос настолько хороша для того, чтобы вытягивать углекислый газ из раствора, что пузырьки с самого начала получаются большими и резвыми. Они не просто медленно ползут к поверхности и выходят из бутылки, они вырываются бурным потоком. Любая жидкость, попадающаяся на их пути, выталкивается вместе с ними – иногда все полбутылки. Вы можете проиллюстрировать факт, что это физическая, а не химическая реакция, налив газировку в пустую бутылку и положив в нее Ментос. Реакция будет гораздо слабее. Ингредиенты те же, а извержение гораздо менее впечатляющее. Это потому, что переливание газировки позволяет углекислому газу перебраться к поверхности и безобидно выйти в атмосферу. К тому времени, как Ментос приступает к работе, остатка растворенного CO₂ уже недостаточно для эффектного зрелища. (Это объясняет и то, что запивание Ментоса газировкой – хоть мы все же и не рекомендуем вам это делать – редко приводит к фонтанирующей рвоте, не говоря уже о разрыве желудка. К тому времени, как газировка встретится с Ментос где-то внутри вас, бо́льшая часть газа уже освободится.)

Новая машина с газомотором

Развлекательный портал EepyBird широко известен своими зрелищными демонстрациями эффекта кока-колы и Ментоса. Они устраивали целые шипяще-бурлящие балеты из сотен и даже тысяч бутылок газировки.

В 2010 году они создали видео «машины-ракеты»: передняя часть горного велосипеда была приварена к небольшому прицепу. На трейлере были аккуратно размещены 108 бутылок не диетической колы, а «нулевой» (Coke Zero – ее практически идентичная копия в более мужественной упаковке [40]). Каждая бутылка была заряжена шестью драже Ментос и подведена к сооружению из поливочных труб. «Мотор» приводился в действие с помощью хитрой веревочно-рычаговой конструкции, которая выпускала все 648 драже Ментос одновременно.

Несмотря на то что первичный толчок длился всего несколько секунд, машина прокатилась еще 67 метров (220 футов, ¹/₂₄ мили или ¹/₃ фарлонга), оставляя за собой характерный ручеек из нулевой колы. Год спустя EepyBird побили собственный рекорд, используя машину полегче и только половину бутылок.

Слухи о том, что в Северной Корее разрабатывают крылатые ракеты на 7UP и конфетах Pop Rocks, не подтвердились.

Неизвестно, кто был первооткрывателем феномена Ментос и газировки или кто первым подставил соседа по комнате, сунув конфетку в бутылку. Но как только вы испытали данное явление, то сразу у вас возникают вопросы:

• Какой напиток пенится лучше всех?

• Зависит ли эффект Ментос от его вкуса?

• Какой метод добавления драже в газировку наиболее эффективен?

• Что лучше: быстрое взрывное извержение, оставляющее половину жидкости в бутылке, или более медленная реакция, опустошающая ее полностью?

Вопросы подобного рода – это гарантия того, что нам всегда будут нужны физики-экспериментаторы [41].

Доктор Тоня Ши Кофи из Аппалачского университета Северной Каролины возглавила исследование своих студентов по процессам, лежащим в основе этой реакции. Результаты были опубликованы в «Американском журнале физики» – со всеми таблицами, фотографиями с использованием электронно-сканирующего микроскопа и детальным анализом. Молодые исследователи приняли проблему довольно близко к сердцу, учитывая впечатляющее количество факторов, таких как скорость попадания драже в газировку, угол распыления, производитель напитка и срок его годности. Они также выработали очень креативный спектр изменяемых параметров.

• Жидкость: газировка, сельтерская или тоник; диетическая или с содержанием сахара; с кофеином или без.

• Драже: мятные или фруктовые Ментос, мятные драже производства Wrigley’s; несъедобные объекты, такие как песок, кремнекислая соль, морская соль и пищевая сода.

• Форма драже: целиком или крошкой.

• Температура: жидкость комнатной температуры, подогретая или охлажденная.

Как и ожидалось, их результаты подтвердили важность состояния драже и способ их подачи. Чем быстрее погружается драже, тем больше растворенного CO₂ контактирует с его поверхностью за меру времени и тем ниже вероятность преждевременного извержения из бутылки. Видеоанализ целого драже показывает, как оно пулей проходит через жидкость. Ментос, измельченный в пудру, опускается гораздо медленнее, создавая гораздо более слабый эффект, несмотря на гораздо бо́льшую площадь соприкосновения.

Студенты также обнаружили, что диетическая газировка выплескивается сильнее, чем напитки, содержащие сахар. Наиболее вероятное объяснение в том, что сладкая вода, обладающая более высоким поверхностным натяжением, более устойчива к формированию пузырьков. (И это к лучшему, так как налет от сладкой газировки более вязкий и его сложнее отмывать. Липкий сахар также привлекает вредителей, что тоже нужно принимать во внимание, если ваши навыки уборки развиты на уровне второкурсника физического факультета [42].)

Ответы на вопросы, которые никто не задавал

Вам не кажется глупым, что кто-то занимается изучением Ментос? Может быть, эти студенты только зря изводили сладости, без всякой практической пользы?

В этом разница между фундаментальными исследованиями (получение знания ради него самого) и прикладными (проводящимися с какой-то практической целью). Важно лишь полученное знание, а не мотивация. Возможно, в будущем кто-нибудь и найдет применение ракеты типа Ментос. И когда настанет этот день, чем больше мы будем знать о том, почему и как она работает, тем лучше.

Неожиданным результатом стало то, что Ментос показали себя лучше, чем драже Wrigley’s Life Savers. Под микроскопом последние выглядели гораздо шероховатее и должны были предоставить больше очагов образования пузырьков CO₂. Ответом оказался гуммиарабик, присутствующий в покрытии Ментос и отсутствующий в Life Savers. Гуммиарабик увеличивает формирование пузырьков за счет снижения поверхностного натяжения газировки.

Еще одним сюрпризом стало то, что несмотря на то, что фруктовые Ментос имеют более гладкую поверхность, чем мятные, они дают лучший результат. Микроскоп выявил многочисленные трещинки на поверхности фруктовых драже, оголяющие еще более шершавую внутренность конфетки. Плюс ко всему фруктовое покрытие растворяется гораздо быстрее мятного. Чтобы заставить газированную жидкость бить ключом из бутылки, можно использовать разнообразные предметы, но – специально или случайно – Ментос объединяет впечатляющее количество преимуществ в одной упаковке. Тому, кто разработает более эффективное драже по вытеснению жидкости, будет вручена Нобелевская премия.

Но в то же время за обыкновенным «просто добавь Ментос в диетическую колу» стоит гораздо больше, чем может прийти в голову Пенни. Только составление списка необходимых материалов может занять у ребят весь вечер.

эврика! @ caltech.edu

Хлоп, Бух, Пых!

Полный энтузиазма калтеховец Крис Бреннан закипает в хорошем смысле, когда говорит о своих исследованиях кавитации. Это образование пустот (пузырьков газа или пара) в жидкостях. Хоть они и являются приятными образованиями в газировке и средствах для ванной, в двигателях и насосах они все же будут помехой.

Пузырек, сжатый жидкостью, окружающей его, сохраняет энергию сжатия и нагревается. Когда давление усиливается, пузырек может лопнуть или сжаться, внутрь врывается струя жидкости, освобождая ударные волны и тепло. Этот процесс можно использовать для удаления омертвевшей кожи, дробления почечных камней и смешивания красок. Но, если его не контролировать, накопившийся эффект взорвавшихся пузырьков может оказаться способным корродировать металл.

Вот вам еще одно доказательство, что газировка опасна для ваших зубов.

В какой Вселенной?

Ты нарисуй, нарисуй мне карту, картограф

Может быть, причина, по которой мы затрудняемся найти квартиру Леонарда и Шелдона, в том, что мы используем неправильную систему расположения домов. В Северной Америке здания часто нумеруются последовательно, с четными и нечетными числами на противоположных сторонах улицы и сотнями, увеличивающимися с каждым кварталом или через каждые двадцать метров. Но в некоторых частях Соединенного Королевства и в других странах, которые были основаны задолго до того, как возникла потребность делать бесполезные рассылки, дома нумеровались хронологически, по порядку их строительства. Почтовые курьеры и местные обыватели хранили эти невообразимые расположения в памяти, а все остальные бедолаги бродили по улицам, вглядываясь в каждую дверь. Может быть, подобной системой пользовались и в «Теории Большого взрыва»? (Этой теории есть косвенные доказательства: номер дома в обратном адресе на свадебном пригласительном Бернадетт – 720, тогда как здание, в котором она живет, обозначено цифрами 3627 [43].) Может быть, дом 2311 на Северной Лос Роблес авеню – это адрес здания, которое было построено 2311-м на Северной авеню Лос Роблес?

К сожалению, оказалось, что это не так, как подтвердил визит в Управление планирования и развития инфраструктуры Пасадены. (Вернее, мы так предположили, подтвердили бы мы, если бы смогли ответить на холодное замечание клерка: «По-вашему, я должен бросить свой обед и отправиться вам на помощь с этой ерундой?») За 140 лет истории города на этой славной улице построили гораздо меньше 2000 зданий. А номер 2311 очень хорошо виден на стене дома [44].

Возможно, мы возлагаем слишком много надежд на слово «Северная». На любой «северной» улице Пасадены здание с бо́льшим номером расположено справа от здания с меньшим числом. Однако в «Теории Большого взрыва» здание справа от номера 2311 имеет номер 2309 (магазин освещения) [45]. Это порядок нумерации на «южных» улицах. И представьте себе, на Южной Лос Роблес, в отличие от Северной, таки есть дом 2300, это последнее здание на этой улице. Но это в Сан-Марино, а не в Пасадене, на один город ближе к югу, чем нужно.

Может быть, герои называют улицу «Северной Лос Роблес», когда она таковой не является. Возможно, используя секретный код, они защищаются от чужих ушей и непрошеного вторжения. Не зря же Говард говорит Леонарду повернуть налево на Лэйк-стрит, а Шелдон упоминает кофейню на Лэйк-стрит, хотя в Пасадене нет никакой Лэйк-стрит. Очевидно, они имеют в виду Лэйк-авеню, улица еще оживленнее Лос Роблес, расположенная всего в 400 метрах восточнее. Или «Лэйк-стрит» – это клингонское название какой-нибудь другой улицы [46].

Неужели никто не может нормально назвать адрес?