Ответы и решения. Что видим? Нечто странное! Клейкая вода
Леонид Ашкинази, Наталия Сьянова. Фото Леонида Ашкинази
Подставка с бочонком — это канцелярская и банковская принадлежность для смачивания пальца водой, дальний родственник миниатюрных плошек с губкой.
Клейкая вода(См. «Наука и жизнь» № 9, 2021 г.)
Подставка с бочонком — это канцелярская и банковская принадлежность для смачивания пальца водой, дальний родственник миниатюрных плошек с губкой, довольно распространённых и сейчас в разных конторах или кассах. В углубление наливали немного воды, при вращении пальцем бочонка он оказывался влажным — и палец тоже. Гораздо удобнее и гигиеничнее, чем смачивать палец слюной. Кстати, с этим связана замечательная физическая задача — почему бумага «прилипает» к влажному пальцу? Только не надо грешить на поверхностное натяжение — оно слишком мало для этого. Подсказка: данный эффект имеет нечто общее с так называемым «присасыванием» подводных лодок к некоторым видам грунта на дне. А также к функционированию показанных на фото концевых мер, или плиток Иогансона, которые используются в технике более века, но механизм действия которых был объяснён совсем недавно и оказался довольно простым.
Плитки Иогансона придумал и начал выпускать шведский инженер Карл Эдвард Йоханссон (таково более близкое к шведскому оригиналу написание его фамилии) в 1896 году. Делал он их из стали, сейчас выпускают стальные, из карбида вольфрама, из керамики. У всех материалов свои преимущества: стальные дешевле, карбидвольфрамовые меньше истираются при использовании, у керамических плиток слабее тепловое расширение. Используют в технике их как эталоны для контроля длины, но за все эти годы никто не разобрался, почему они слипаются. В основном говорят про ван-дер-ваальсовы силы и про поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение может удержать на воде водомерку и иголку, но не стограммовую железку на весу, а для того чтобы «заработало» межмолекулярное притяжение (силы Ван-дер-Ваальса), поверхности должны сблизиться на расстояние порядка межатомного. При самом высоком классе полировки шероховатость плиток больше на два порядка. Иногда упоминается атмосферное давление, но лишь как один из факторов и не главный.
Атмосферное давление составляет вполне серьёзную величину — 1 кг/см2 (9,8 Н/см2). Почему оно не перемещает, например, компьютерный монитор по столу? Потому что оно давит на него и справа и слева. А также прижимает его сверху к столу. Почему оно не мешает оторвать монитор от стола? Потому что давит на него и снизу! Чтобы атмосфера не давила с какой-то одной стороны, её там не должно быть. Иногда говорят, что подводную лодку может «присосать» ко дну. Это образное описание эффекта, возникающего при таких характеристиках грунта, что корпус плотно прилегает к нему, вода снизу вытесняется, а давление сверху остаётся (в воде на глубине 10 м оно составляет уже 10 тонн/м2).
Плитки Иогансона (в эпоху борьбы с «низкопоклонством перед Западом» их переименовали в «концевые меры») прижимает друг к другу именно атмосферное давление, а ничтожного количества влаги (и, возможно, масла), всегда имеющегося на поверхности плиток, оказывается достаточно, чтобы не пустить в щель атмосферу. А если качество поверхностей немного хуже, на них приходится подышать — понятно зачем.
Но этим дело не кончается. Атмосферное давление на вертикальные поверхности действует горизонтально, а гравитация, как обычно, вертикально. Поэтому, чтобы удержать плитку от падения, нужно сухое трение. А между пластинками реализуется смешанное трение — примерно так, как при движении машины по мокрой мостовой. Когда мы «притираем» плитки, мы как раз и выдавливаем воду с некоторых участков. На них-то и реализуется непосредственный контакт плиток и то самое сухое трение.
Однако и это ещё не всё. Вода или иная жидкость, заполняющая зазор, контактирует с атмосферой, и в ней, казалось бы, всё равно должно быть атмосферное давление. Но тут приходит на помощь поверхностное натяжение, то самое, которое поднимает жидкость в капиллярах. Раз жидкость в капилляре оказывается выше исходного уровня — значит, давление в ней уменьшается. Высота поднятия обратно пропорциональна зазору, и когда он уменьшается до единиц микронов, давление в жидкости становится существенно меньше атмосферного. Вода в микрозазоре между плитками ведёт себя, по-видимому, как в капилляре — то есть тоже образует мениск, под которым понижено давление.
Итак, чтобы происходило то, что вы видите на фото: плитка, ничем не скреплённая с другой, висит и не падает, — нужно соблюдение трёх условий. Негладкость поверхностей должна быть не более единиц микрометров — чтобы не было больших зазоров, в которых тончайшая плёнка воды, если и будет присутствовать, не сможет защитить плитки от атмосферного давления. Должно оказаться на поверхности потребное — ничтожное! — количество влаги и, возможно, масла — кстати, в реальной жизни протирка плиток бензином вовсе не счищает монослой масла. Наконец, плитки должны быть отполированы так, чтобы при прижатии с силой в несколько килограммов (притирании) образовалась зона непосредственного контакта.
Как видите, от смачивания пальца при пересчёте банкнот или перелистывании документов нам пришлось перейти к обсуждению тонких молекулярных явлений.
Если дома среди старых вещей или на улице вам встретится загадочный объект, сфотографируйте его и пришлите снимок. Наши эксперты постараются рассказать о назначении объекта и привести его название. Или же это сделает кто-то из читателей, увидев присланные вами фото в журнале.
Читайте в любое время
