Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Вода – один из замечательных и лучше всего знакомых нам примеров работы сил сцепления и притяжения. В ней работают серьезные силы сцепления, поэтому она так легко собирается в массы. Дождь падает в виде капель, потому что молекулы воды крепко сцепляются между собой. Возникает вопрос: почему же тогда дождь не собирается в единую гигантскую каплю? Ответ в том, что большие капли неустойчивы. Столкновения между ними и трение о воздух при падении разделяют их на маленькие капли, поэтому обычно они не превышают в диаметре 5 мм[65]. Вообще вода по своим свойствам скорее когезивная (сцепляющая), чем адгезивная (притягивающая). Именно поэтому вы можете видеть каплю воды у себя на ладони или на листе пальмы. В дождливый день, когда дождь стучит в окно, можно заметить, как капли стекают по внешней поверхности стекла ручейками с определенными руслами. Дело в том, что молекулы воды сцепляются между собой. Каждая новая капля стремится соединиться со своими предшественницами, а не пробивать себе отдельное русло. Молекулы воды так хорошо сцепляются друг с другом и так плохо с другими веществами, что дома мы вынуждены применять специальные химические вещества, которые помогают наносить ее на поверхности ровным слоем или увлажнять вещи целиком. Мы вернемся к этому в главе 17, когда будем изучать, почему вода так хорошо очищает вещи от грязи.

Так что приклеивание – все же явление скорее из области сил притяжения. На них и сосредоточимся. Мы можем разделить приклеивание на три разных вида. Это постоянное склеивание (его обеспечивают различные клеи), временное приклеивание (когда мы идем по полу или муха ползет по стене) и полное отсутствие склеивания (когда бритва с гелем скользит по вашему подбородку или вы скользите по снегу либо льду). Кажется, силы абсолютно разные, но они основаны на очень схожих близкодействующих силах, которые возникают между двумя близко расположенными поверхностями.

Постоянное склеивание

Чтобы приклеить одну вещь к другой, вы должны создать очень сильные физические или химические связи между ними. Предположим, вы привариваете металлическую пластину к вашей машине, заменяя старую и проржавевшую. При этом вы расплавляете два металла так, что их атомные структуры соединяются и они становятся одним целым. Это не физическая связь: вы начинаете с двух металлов, а в итоге получаете один. Такой процесс вы и склеиванием не назвали бы, верно?

А что будет, если вы пойдете в мастерскую по ремонту обуви и попросите, чтобы вам поменяли старую резиновую подошву на новую? В чем отличие от первого примера? Приварить новую резиновую подошву к ботинку невозможно без нанесения непоправимого вреда. И что делают сапожники? Они используют клей в качестве промежуточного вещества для соединения двух поверхностей. Сапожник наносит его ровным слоем и на нижнюю часть ботинка, и на подошву и сильно прижимает их друг к другу. Процесс и прочность склеивания зависят от типа используемого клея и материалов, из которых сделаны две части обуви. Некоторые виды клея глубоко проникают в поры и структуру верха и низа ремонтируемой обуви и образуют прочные физические связи между ними. Другие вызывают на нанесенной ими поверхности химические реакции, в результате которых между частями ботинка возникают устойчивые химические связи. Третий тип клеев частично поглощается обеими поверхностями и создает между ними электростатические связи. И, наконец, четвертый вид клея приводит к замене молекул на двух склеиваемых поверхностях и их соединению, или диффузии.

Это электричество!

Для меня интереснее всего третий способ. Некоторые виды клеев соединяют при помощи электричества (правда, у них кошмарный запах, и названия ингредиентов на тюбиках выглядят пугающе). Это звучит необычно только до тех пор, пока вы не задумаетесь о статическом электричестве и о том, как оно притягивает вещи друг к другу, словно магнитом. Если вы потрете воздушный шар о свой свитер, вы можете «приклеить» его к себе или к стене. И никакого клея не понадобится.

Как это работает? Все объекты состоят из атомов. А атомы, если вы помните, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны имеют минимальный положительный электрический заряд, а заряд электронов отрицательный. В целом атомы электрического заряда не имеют, потому что внутри них заряды протонов и электронов компенсируют друг друга. Но не все атомы одинаковы: некоторые более жадные, чем другие. Если вы потрете друг о друга два непохожих материала, атомы одного из них могут «украсть» электроны у атомов другого. Это, в частности, происходит, когда вы трете воздушный шарик о свитер. «Грабитель» (свитер или другой материал, «ворующий электроны») получает отрицательный электрический заряд, а несчастная жертва (воздушный шарик с меньшим количеством электронов) остается с положительным зарядом. Как и противоположные полюса магнита, противоположные заряды притягиваются друг к другу. И вот уже воздушный шарик прилипает к вашему свитеру.