Читать книгу "Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд"

Бутыль с горячей водой, завернутая в толстую мягкую ткань, остается сравнительно теплой и наутро после того вечера, когда она была наполнена. И всё потому, что молекулы воды так хорошо сохраняют тепло. По тому же принципу работает и ваше тело. Почему вы так долго не можете согреться в постели? Потому что ваше тело – в основном вода.

Вода в движении

Готовность воды двигаться по трубам важна едва ли не столько же, сколько ее готовность сохранять тепло. Если бы она была более вязкой и медленно текла, а не перемещалась потоком, мы наверняка меньше ее использовали бы. Представляете, сколько времени занимали бы душ, посещение туалета, мытье посуды или стирка, если бы вода двигалась со скоростью, скажем, патоки. Центральное отопление на основе патоки все равно работало бы, но гораздо менее эффективно. Жидкость так же отдавала бы тепло в каждом помещении, но гораздо медленнее возвращалась в отопитель для повторного нагрева.

Водоснабжение и сантехника основаны на текучести воды и ее способности двигаться под давлением и силой земного притяжения: водонапорные башни всегда высокие и располагаются на возвышенностях. Когда вы поворачиваете кран дома, вода вырывается из него потому, что, например, на чердаке или крыше у вас стоит водяной бак, из которого она бежит вниз. Такое «низкотехнологичное» водоснабжение обычно очень эффективно, хотя и имеет свои недостатки. Быстро текущая по трубам под своим весом вода иногда сильно шумит. Вода – довольно тяжелое вещество, поэтому при прохождении системы труб из-за гравитации она приобретает значительную кинетическую энергию. Если вы быстро закроете кран, разбежавшаяся вода, ударившись о запор, частично вернется назад, как волна, ударившаяся о дамбу. При этом иногда возникает неприятный вибрирующий звук, который сантехники называют гидравлическим ударом (гидроударом).

Движение воды часто сопровождается движением воздуха. Иногда они перемещаются в противоположных направлениях. Вот простой опыт, который вы можете проделать дома (лучше над мойкой на кухне или над ванной). Возьмите использованную пластиковую бутылку любого размера, до предела наполните ее водой и плотно завинтите пробку. Сделайте булавкой небольшие отверстия в боковых стенках бутылки и посмотрите, что произойдет. Ничего. Из отверстий вода почти не выйдет, разве что всего несколько капель. А все потому, что давление воздуха закрывает отверстия. Отвинтите крышку – и вода потечет сквозь дырочки. Воздух устремится в бутылку через горлышко, выдавливая из нее воду.

В принципе вода может покинуть сосуд только тогда, когда ее место занимает воздух. Вы можете проверить это, опорожняя бутылку двумя нижеприведенными способами (для этого опыта используйте другую бутылку, без дырочек, иначе промокнете).

Наполните пластиковую бутылку водой по горло и оставьте ее открытой. Быстро переверните бутылку горлышком вниз и понаблюдайте, как быстро она опорожнится. Обратите внимание на то, что происходит в области горлышка. Там наблюдаются какие-то вихревые явления, а вода вытекает толчками, которые сменяются небольшими паузами? Здесь происходит борьба между воздухом и водой: воздух старается попасть в бутылку, а вода – вырваться из нее. Опустошение бутылки с водой по сути означает наполнение ее воздухом. Булькающие звуки возникают потому, что вода и воздух двигаются поочередно. Выливается порция воды, ее место тут же занимает воздух и т. д.

Снова наполните бутылку и попытайтесь вылить из нее воду немного иначе. Вы обнаружите, что это можно сделать гораздо тише (и часто гораздо быстрее), если из горизонтального положения вы лишь слегка наклоните бутылку в сторону отверстия. При этом вода будет вытекать через нижнюю часть горлышка, оставляя верхнюю часть открытой. Сюда будет поступать воздух. Получатся два ламинарных потока – воды и воздуха, которые параллельно и ровно текут в противоположных направлениях. Между ними не возникает турбулентных возмущений и смешивания. И вода вытекает из бутылки очень тихо.

Если вы хотите тихо освободить от воды раковину или мойку, вы можете использовать тот же принцип. Сток мойки обычно громко булькает, поскольку где-то в трубах под ней скапливается воздух. У большинства раковин и кухонных моек внизу есть изгиб трубы в виде буквы U. Это делается для предотвращения появления из мойки запахов. В нижней части изгиба обычно есть немного воды. Громкое бульканье возникает в самый последний момент освобождения раковины от воды потому, что она, разгоняясь по трубе, создает за собой частичный вакуум, который заставляет вибрировать ту ее порцию, которая всегда «сидит» в изгибе. Если при полной раковине вы придадите находящейся в ней воде вращение при помощи какого-то предмета, вокруг спуска возникнет водоворот и вода будет вытекать по его краям, оставляя середину пустой. Находящийся в этом месте воздух предотвратит бульканье. Научитесь вращать воду в мойке, и вы избежите неприятных звуков.

Вода и перьевая ручка

Всё это очень интересно, но практично ли? Конечно. Если вы старомодны, как я, и до сих пор используете перьевую ручку, чтобы писать письма и подписывать открытки, то увидите, что тот же принцип работает и в ней. Вы можете выпускать чернила тонкой струйкой на бумагу (когда хотите) или хранить их в ручке (когда ничего не пишете).

Перьевая ручка – маленькая бутылочка с цветной жидкостью без пробки. Если повернуть ее вертикально носиком вниз, то все чернила должны бы вылиться на бумагу. Это все равно что повернуть вертикально бутылку с водой. Но с ручкой такого не происходит, потому что ее кончик соединен с емкостью для чернил очень тонкой трубочкой, и давление воздуха не дает чернилам выливаться. Это похоже на бутылку с закрытой крышкой и дырочками по бокам. Как же тогда чернила попадают на бумагу? А здесь все уже похоже на то, как мы переворачиваем бутылку с водой горизонтально. В верхней части тонкой трубочки между пером и контейнером с чернилами есть узкий канал для поступления воздуха, а под ним три еще более тонких канала для выхода чернил. Они вытекают из ручки, когда в нее поступает воздух. Этому процессу дополнительно помогает еще явление, называемое капиллярностью. Когда вы водите пером по бумаге, ее волокна прилипают к перу и «вытягивают» из ручки чернила, молекулы которых поступают на бумагу непрерывной цепочкой. Но, конечно, чернила вытекают из ручки в первую очередь потому, что в нее поступает воздух.

Туалетные советы

Большая часть домашней сантехники работает по одному принципу: внутрь сосуда поступает воздух, чтобы оттуда вытекала вода. В туалетах, например, вода смывается так быстро потому, что в бачках унитазов всегда много воздуха. Иначе вышло бы как с бутылкой с дырочками: вода не вытекала бы. В туалетных бачках стоят специальные клапаны. Кода вы смываете воду, в сливную систему поступает воздух, который уравнивает давление вытекающей воды. Сантехника и водоснабжение – наука о давлении воды и воздуха. Ее задача в том, чтобы воздух и вода работали в трубах нашего дома рука об руку.

Туалеты смывают отходы из чаши водой, когда она с большой скоростью проходит через нее. Собственно, это и есть слив. Но это не всё. Возьмите, например, ведро с водой и вылейте его по чайной ложке на содержимое унитаза. Вы будете разочарованы, потому что этого ведра для достижения нужного результата не хватит. Но тут нет ничего удивительного. Например, если у вас в бачке сломался клапан и ваш туалет течет, вы тоже не сможете смыть отходы.