Кто ест пчел? 101 ответ на, вроде бы, идиотские вопросы

Автор-составитель

Ликер со сливками

Один из способов употребления ликера «Tia Maria» — потягивать его через тонкий слой сливок. Если в ликер налить двухмиллиметровый слой сливок и дать ему постоять две минуты, его поверхность начнет покрываться тороидальными ячейками. Эти ячейки образуют быстрый круговорот, и их движение продолжается, даже если вы потягиваете ликер через сливки. Как и почему образуются ячейки? Что является источником энергии?

Джеффри Шерлок (Амерсхэм, Великобритания)

Мы очень рады, что этот вопрос, присланный в рубрику «Last Word» в 1995 году, вдохновил на разработку исследовательского проекта целый ряд ученых из разных научных учреждений — Джулиана Картрайта из Лаборатории кристаллографических исследований (Гранада, Испания), Оресте Пиро из Средиземноморского института специальных исследований (Мальорка, Испания) и Ану Виллакампа из Национальной лаборатории им. Лоренса Ливермора (Калифорния, США). Их научный доклад «Образование узора при конвекционном движении растворов: извилистые круги и обособленные ячейки» был опубликован в журнале «Physica А». За период с 1995 года в редакцию журнала «New Scientist» читатели прислали ряд теорий, согласно которым причиной столь необычного эффекта является реакция между спиртом и жировыми веществами в сливках. Теперь мы знаем правильный ответ и ниже публикуем объяснение авторов статьи в журнале «Physica А».

Автор-составитель

Мы провели опыт с ликером и сливками и были заинтригованы. Потрясающе интересно наблюдать, как образуются эти разные узоры в слоях сливок разной толщины. Все это вызвано конвекцией. Конвекция — это перемещение объемов жидкости, зачастую обусловленное разностью температур. В ликере со сливками причиной конвекции является разность концентрации. Это так называемое конвекционное движение раствора. Важный компонент ликера «Tia Maria» — спирт. После того как сливки налили на поверхность ликера, спирт начинает проникать в сливочный слой. Когда он достигает поверхности, происходит изменение поверхностного натяжения: чем больше спирта в поверхностном слое, тем меньше поверхностное натяжение. Области более высокого поверхностного натяжения притягивают к себе жидкость из областей малого поверхностного натяжения. Жидкость, находящаяся под областями малого поверхностного натяжения, смещает жидкость, находящуюся на поверхности, занимая ее место. Но в этой жидкости уже содержится больше спирта, поскольку она поднимается из слоя сливок, находящегося ближе к ликеру. Данная часть жидкости имеет ровную поверхность натяжения и, в свою очередь, тоже смещается. Этот механизм положительной обратной связи создает конвекционное движение, которое продолжается до тех пор, пока существует разница в концентрациях компонентов смеси. Этот тип конвекционного движения, вызываемого воздействием поверхностного натяжения, называется конвекцией Бенара — Марангони и особенно характерен для тонких слоев жидкости. Это важный элемент таких процессов, как высыхание краски. Эти же капиллярные силы, или силы поверхностного натяжения, способствуют образованию других типов узоров в алкогольных напитках (например, «слезы» в бокале вина). Другой важный фактор конвекционного движения — плавучесть. Но конвекция, происходящая под воздействием выталкивающей силы, так называемая конвекция Рэлея — Бенара, не может вызвать образование узоров в «Tia Maria», потому что сливки легче ликера и, соответственно, этот ликер, покрытый слоем сливок, находится в состоянии равновесия. Узоры, образующиеся, когда жидкость начинает перемещаться под воздействием одного из этих двух механизмов, хорошо изучены в таких явлениях, как клубы облаков на небосводе или шестиугольники, появляющиеся на сковородке при нагревании слоя растительного масла. Ликер «Tia Maria» в этом плане исключение, потому что образующиеся в нем узоры — это не обычные клубы или шестиугольники. Об аналогичных узорах также есть упоминания и в научной литературе, в частности в статьях, написанных в первые десятилетия XX века. Червеобразные узоры в тонких слоях сливок называются извилистыми кругами, тороидальные ячейки — обособленными ячейками. И те и другие появляются, если на поверхности вещества, в котором происходит конвекция, есть поверхностная пленка, препятствующая передвижению потоков между поверхностью и основной массой жидкости. В данном случае жирные сливки частично блокируют поверхность, потому и образуются эти узоры. В более поздних исследовательских работах, посвященных конвекции, подобные типы узоров зачастую не рассматриваются, а данные старых опытов считаются неточными, потому что для экспериментов брались неоднородные жидкости; полагают, что разные узоры возникали из-за наличия примесей. Мы попытались восстановить справедливость. Понаблюдав за образованием узоров в ликере «Tia Maria», мы провели опыты с более простыми беспримесными жидкостями: узоры получились такие же.