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

Почему не дрожат овцы?

Морозным утром вы обычно тянетесь за своим самым теплым пуловером. Но что такое теплый пуловер? Наверняка он сделан из шерсти, вероятнее всего, овец-мериносов, которая отличается особым согревающим эффектом. Шерсть хорошо впитывает влажные испарения (особенно воду); она наиболее гигроскопична (способна к поглощению воды) из всех натуральных волокон. Шерсть овец-мериносов часто используется в нижней спортивной одежде (термобелье). В ней много тонких и пушистых волокон, поэтому она лучше хранит тепло, чем шерсть обычных овец.

Когда шерсть встречается с водой, она проявляет экзотермичность, выделяя тепло. Она превращает пот в тепло в силу трех своих свойств. Помните, мы говорили о том, что молекулы воды полярны, поэтому притягиваются к вещам на манер магнитов? Они легко проникают в волокна шерсти и прилипают к ним своим водородным полюсом, встраиваясь в корковый слой (ячеистую структуру в центре волокон) и создавая водородные связи. Когда благодаря этому молекулы оказываются связанными между собой, они становятся более устойчивыми и выделяют энергию. Именно она частично и согревает ваше тело[296].

Второй «согревающий» эффект шерсти заключается в том, что она приостанавливает самоохлаждение организма. И происходит это за счет того, что шерсть хорошо поглощает и удерживает влагу с нашего тела. И наша кожа остается сухой (а не влажной, как в одежде из нейлона или полиэстера). Это важно, поскольку потоотделение у человека – по сути механизм охлаждения. Когда вы потеете и пот остается на коже, по мере его испарения тело будет охлаждаться независимо от того, нужно это ему или нет. Поскольку шерсть отлично впитывает пот, на коже остается в лучшем случае ничтожное количество влаги. В результате испарений становится меньше, и наше тело не так быстро охлаждается.

Есть и третий согревающий эффект шерсти. По мере того как пот конденсируется в удерживающих воду волокнах шерсти, он из газообразного состояния (испарения) превращается в жидкость, отдавая тепло воды. Откуда оно берется? Когда вы разбиваете лед, чтобы сделать из него воду, или греете воду, чтобы превратить ее в пар, температура исходного вещества поднимается не линейно. Она какое-то время растет, а потом движется по горизонтальной прямой во время смены своего состояния – изо льда в воду и из воды в пар. Энергия, поглощаемая при таких фазовых переходах, называется латентной (скрытой)[297] и используется для изменения внутренней молекулярной структуры вещества, превращая твердую субстанцию (лед) в жидкость (при 0 °C), а жидкость – в газ (при 100 °C). Когда вы вновь охлаждаете пар, получая воду, или воду, получая лед, выделяется латентная энергия.

Эти три эффекта объясняют, почему шерсть согревает вас, когда вы потеете. Понимание этих простых научных истин поможет вам добиться максимального согревающего действия от вашей шерстяной верхней одежды и белья из тонкой шерсти мериносов. Предположим, вы выходите на улицу холодным и сырым днем и, естественно, хотите чувствовать себя в тепле. Если ваша шерстяная одежда будет сухой перед тем, как вы наденете ее, она сможет поглотить больше влаги из воздуха или от вашего тела и отдать вам больше тепловой энергии. Поэтому, если вы надеваете джемпер, который носили вчера, положите его на короткое время на батарею – не для того, чтобы согреть, а для того, чтобы полностью высушить перед встречей с влажным воздухом.

Чудеса шерсти

Когда вы разглядываете и прикасаетесь к шерстяным вещам в магазине или просматриваете каталог с ними онлайн, то меньше всего думаете о научных категориях, которые за ними стоят. Вас интересуют размер, стиль, покрой, цвет и всё такое. Да, шерстяная ткань мягкая и удобная. Но это вещество, подвластное законам физики. Мы изучаем и измеряем параметры шерсти, как и любого другого вещества. Что же мы можем сказать о ней в сравнении, скажем, с пластмассой или нержавеющей сталью?

Шерсть состоит из белковых волокон (кератина, имеющегося также в человеческих волосах и коже), длина которых разнится от 3 до 40 см, в зависимости от животного. Эти волокна состоят из более мелких и эластичных волокон. Наружный слой волокон шерсти – кутикула – составлен из трех слоев чешуек, которые перекрывают друг друга (под микроскопом они напоминают спину муравьеда). Эти ячейки способны плотно сцепляться между собой, и именно поэтому шерсть можно скатать в упругий войлок. Внутренняя часть волокна, называемая корковой, состоит из нитевидных структур цитоплазмы (макрофибрилл), которые содержат более мелкие белковые нити (микрофибриллы и протофибриллы). В центре коркового слоя находятся переплетенные цепочки упругих молекул белка кератина.

Эта «матрешечная» структура волокна шерсти, когда более мелкие волокна находятся внутри каждого последующего слоя, объясняет эластичность сухой шерсти: переплетенные волокна могут быть растянуты почти вдвое по сравнению с первоначальной длиной (или скручены до половины своей длины). Это впечатляющий результат, если учесть, что резина из натурального каучука может растягиваться всего в несколько раз до момента разрушения. Иногда шерсть кажется нам непрочной. Но причина в том, что мы привыкли считать ее мягкой и удобной. Доводилось ли вам рвать шерстяную пряжу голыми руками? Если вы изучите характеристики шерсти, то поймете, почему это так трудно. Предел упругости шерстяной пряжи (величина приложенной силы на растяжение, который материал выдерживает до начала пластической деформации) составляет около 10 % от предела упругости стали![298] Эластичность и упругость шерсти делают наши вещи такими износостойкими.

Шерсть отталкивает воду, но не всю. Она гигроскопична, потому что ее внутренние волокна разбухают от воды на манер губки, когда жидкость поступает в корковый слой. Обычно шерсть впитывает 15–20 % воды, иногда чуть больше. Мокрая шерсть, особенно горячая, становится скорее пластичной, чем эластичной. Свитер, постиранный в горячей воде, увеличивается в размерах на 10 % и не сразу возвращается в первоначальную форму. Обычно шерстяные вещи в горячей воде не стирают, потому что их волокна могут необратимо деформироваться. Именно поэтому свежевыстиранные шерстяные вещи, как правило, сушат, положив горизонтально. Высокая температура сама по себе не разрушает шерсть. Но волокна под ее действием слабеют, становятся ломкими и опаляются, как и человеческие волосы. Сама шерсть не горит и может даже считаться природным негорючим материалом. Если источник пламени от нее убрать, она сразу же погаснет. Совсем иначе ведут себя хлопок и лен, которые горят сами даже в отсутствие пламени. Не говоря уже о нейлоне, который очень опасен при возгорании.