Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Далее возможны два варианта развития событий. Если деформация такова, что сила поверхностного натяжения компенсирует силу гравитации, насекомое не разрывает поверхностную пленку и остается над водой, поддерживаемое притяжением молекул воды друг к другу. Если же сила гравитации превышает максимальную силу поверхностного натяжения, поверхность разрывается и насекомое уходит под воду. К счастью для водомерок, эволюция повела их по первому пути. Поддерживающее свойство жидкости, кстати, легко продемонстрировать, аккуратно положив металлическую скрепку на поверхность воды. Если обе они очень чистые, жидкость будет поддерживать скрепку, несмотря на куда более высокую плотность последней. Если же протолкнуть скрепку чуть глубже, она утонет, поскольку поверхностное натяжение действует только на поверхности.

Итак, мы объяснили, почему водомерка бегает по воде, но пока не понимаем, почему те же аргументы не применимы к людям. Ведь даже если на вас действует гораздо большая сила гравитации, чем на водомерку, площадь соприкосновения тела с поверхностью воды в вашем случае тоже многократно больше. Разве не должна тогда увеличиться и противодействующая сила, направленная вверх? Должна, но ее величины все равно недостаточно, чтобы вы смогли стоять на водной глади бассейна. Причина опять же в масштабировании. Сила гравитации, как мы отметили в прошлой главе, пропорциональна массе тела, а следовательно, масштабируется вместе с объемом – как куб длины. Сила же поверхностного натяжения масштабируется не как куб или хотя бы квадрат длины, а просто как длина. Куб с ребром дюймовой длины, стоящий на воде, имеет 4-дюймовый периметр, ограничивающий зону контакта.

Куб с ребром в 2 дюйма имеет 8-дюймовый периметр, что лишь вдвое больше, чем у первого куба. Вдоль этого периметра поверхность воды изогнута и растянута относительно плоских зон, и потому именно пропорционально длине ребра масштабируется сила поверхностного натяжения. При прочих равных на одно животное, которое в 10 раз больше другого, действует увеличенная в 1000 раз сила притяжения, направленная вниз, а вот возникающая в жидкости сила, направленная вверх, оказывается больше лишь в 10 раз. Некрупное животное может удержаться на поверхности жидкости, но если мы представим, что оно растет, его тело очень быстро достигнет размера, при котором гравитационная сила окажется слишком велика, чтобы ей противостоять. Такой переход случается уже при размере в несколько миллиметров. Пока животное меньше, ему несложно держаться на воде за счет поверхностного натяжения, но как только оно пересекает этот рубеж, любые попытки обречены на провал.

Другим примером влияния поверхностного натяжения может служить поведение особой группы муравьев. Огненные муравьи – это несколько видов агрессивных муравьев, укусы которых особенно болезненны и сопровождаются жжением, собственно, и давшим им название. Эти насекомые живут в тропиках, где сильные ливни могут затапливать места их обитания, поэтому муравьям нередко приходится удерживаться на водной поверхности, сохраняясь при этом как колония³. Хотя насекомые и плотнее воды, один муравей невелик: как и водомерка, он может стоять на воде благодаря поверхностному натяжению. Но вот группа муравьев, в которой особи цепляются друг за друга, чтобы не потеряться, уже сталкивается с проблемой. Чем группа больше, тем сильнее разрыв между ее массой и поддерживающей силой поверхностного натяжения, которые масштабируются по описанным выше законам. Когда число муравьев превышает несколько десятков, гравитация перебарывает поверхностное натяжение и группа тонет. Ситуация лишь немногим улучшается, если вместо трехмерного клубка муравьи организуются в двухмерный плот: масса плоского плота увеличивается пропорционально квадрату длины, а поверхностное натяжение – пропорционально простой длине, поэтому баланс довольно быстро нарушается. Казалось бы, физика масштабирования ставит муравьев перед выбором рассредоточиться либо утонуть. Но эти насекомые нашли хитроумное решение – воздушные пузыри. Поверхность муравья гидрофобна, и он может прижимать пузырь к своему телу, как мать прижимает ребенка. Муравьиный плот прикрепляется к крупному воздушному пузырю, и плавучий пузырь не позволяет гравитации утянуть всех вниз. Поскольку поверхностное натяжение не в состоянии спасти муравьев, они делают ставку на низкую плотность воздуха и работают с другой частью уравнения – силой притяжения.

Но некоторые животные используют поверхностное натяжение напрямую. Одно из них – вы, и в следующем примере действие будет развиваться внутри вас – при каждом вашем вдохе.

Дыхание – тяжкий труд