Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого

Рэлей рассматривал горизонтальный слой жидкости на нагреваемой плоской поверхности и подразумевал, что нестабильность принимает форму параллельных, вращающихся в противоположные стороны вальцов, движимых силами плавучести ввиду разной плотности жидкости. Затем в ходе рассуждений он пришел к выводу, что размер шестиугольных ячеек близок – по счастливой случайности – к размеру ячеек, наблюдаемых Бенаром. Кроме того, Рэлей предсказал минимальный перепад температур в слое при возникновении этого движения, но он оказался примерно в 100 раз больше, чем перепад, который требовался для возникновения ячеечного потока в экспериментах Бенара.

Другие исследователи по-своему дополнили анализ Рэлея. Если не принимать верхнюю поверхность жидкости плоской, ясно, что она приподнята между соседними восходящими вальцами и понижена над нисходящими потоками жидкости. Это явление прямо противоположно тому, которое наблюдал Бенар. Когда эксперимент Бенара повторили, оказалось, что ячейки также могут возникать при охлаждении нагреваемой поверхности, в то время как, согласно Рэлею, при этом жидкость должна находиться в покое. Нестабильность также наблюдалась в слое жидкости под поверхностью, нагреваемой сверху, и в пространстве, где величина силы притяжения, а следовательно, и сила плавучести равнялась нулю.

В конце 50-х годов ХХ века была разработана новая модель конвекции Бенара, в которой жидкость приводило в движение изменение поверхностного натяжения, вызванное перепадами температуры на поверхности жидкости. Эта модель также позволяла предсказать понижение поверхности жидкости над восходящими потоками. В реальных условиях должны присутствовать оба эффекта – Бенара и Рэлея. Преобладание одного из них зависит от конкретных условий. Силы плавучести регулируют движение в жидкости, когда у нее нет свободной поверхности или когда слой жидкости толще 10 мм; в противном случае поток регулируют силы поверхностного натяжения.

Какие бы движущие силы ни преобладали, они должны быть достаточными, чтобы преодолеть сопротивление вязкости, препятствующее движению, и диффузию тепла внутри жидкости (которая сглаживает перепады температур) прежде, чем возникнет нестабильный поток. Для потоков, регулируемых силами плавучести, появление нестабильности определяется числом Рэлея: отношение сил плавучести к зависимости сопротивления вязкости от теплопереноса, в то время как для потоков, управляемых силами поверхностного натяжения, соответствующей переменной будет число Марангони, при котором силы поверхностного натяжения заменяют силы плавучести.

В тонких слоях жидкости нестабильный поток принимает форму правильных рядов шестиугольных ячеек независимо от формы сосуда. Для более толстого слоя жидкости основной нестабильный поток представляет собой ряд вальцов, параллельных сторонам сосуда, с направлением потока вдоль края и зависимостью от относительной температуры основания. Вальцы распадаются на многоугольные (не обязательно шестиугольные) ячейки при росте перепада температур.

Ричард Холройд

Кембридж, Великобритания

О черствости

«Почему печенье, оставленное на ночь без упаковки, к утру становится мягким, а французский багет, пролежавший без упаковки такое же время, твердеет так, что им можно убить?»

Лорна Холл

Бульон, Франция

В печенье содержится гораздо больше сахара и соли, чем в батоне. Измельченные сахар и соль гигроскопичны, они впитывают влагу из атмосферы, осмотическое давление в сладком печенье гораздо выше. Плотная текстура печенья создает капиллярный эффект и помогает удерживать влагу.

В батоне мало соли и сахара, а структура мякиша открытая. Мука не реагирует на влажность в окружающей среде. Поскольку эти продукты делают по-разному, один притягивает воду, другой – нет. Попробуйте поставить опыт с разным печеньем – очень сладким, плотным или воздушным, рыхлым и губчатым. «Показатель ночного пропитывания» увеличивается по мере роста плотности и содержания сахара и соли. Я установил, что если положить в закрытую емкость итальянские бискотти (не очень сладкие и довольно воздушные) и плотное сладкое имбирное печенье, бискотти станут каменно твердыми, а имбирное печенье останется мягким.

Крис Вернон

Квинана, Австралия

Батон черствеет, а сладкое печенье остается мягким благодаря гигроскопичности содержащегося в нем белого сахара. Я исследовал это явление в прошлом году, когда в 13 лет участвовал в конкурсе. От участников требовалось доказать, что кулинария – тоже наука.

Сахар притягивает водяной пар, содержащийся в воздухе, поэтому печенье становится мягче. В батоне сахара нет, следовательно, водяной пар притягивать нечему. Влага из самого батона быстро испаряется, и он твердеет.