Текст уведомления здесь

Бодрящая физика

Ученые объяснили загадку кофейных пятен и заодно смоделировали квантовый мир

Кофе — главный напиток человечества после воды. По крайней мере, так могли бы решить инопланетяне, если бы оценивали важность тех или иных вещей по количеству научных (и не очень) публикаций. Большая часть написанного о кофе посвящено одному вопросу: пить или не пить. «Чердак» решил зайти с другой стороны и разобраться в физике любимого стимулятора.
Добавить в закладки
Комментарии
Непокорные волны

Знакомая картина: торопясь на работу, человек покупает кофе и почти бежит к метро, попивая напиток на ходу. Несколько шагов и — половина кофе оказывается не в желудке, а на брюках. Чаще всего катастрофа происходит, если брюки светлые, но этому феномену ученые пока не нашли объяснения. Зато физики наконец разобрались
, почему капучино или латте пролить сложнее, чем кофе без молока.

Чтобы выяснить, почему черный кофе обладает куда большей прыгучестью, команда исследователей из Принстонского университета сконструировала специальную установку, которая моделирует движения человека при ходьбе и состав кофе. Вместо молока физики использовали жидкое средство для мытья посуды: по словам ученых, оно дает очень стабильную пену, которая прочно держится весь эксперимент. Авторы подавали пену в имитирующую стакан с кофе емкость при помощи тонкой иглы, а затем раскачивали установку, повторяя движения спешащего человека.

Оказалось, что всего пять слоев пены на порядок (то есть в десять раз) уменьшают высоту волн, которые возникают на поверхности кофе при ходьбе. И если волн сантиметровой высоты вполне достаточно, чтобы испортить одежду, то миллиметровая рябь совершенно безопасна. Исследователи полагают, что пена «гасит» волны из-за того, что передает часть их энергии стенкам сосуда. Ровно тот же эффект работает с еще одним любимым Homo sapiens напитком — пивом. У «успокоительного» действия пены есть более скучная (хотя и очень полезная) область применения — перевозка жидких, в том числе взрывоопасных грузов.

Всего несколько слоев пены очень эффективно «гасят» кофейные волны. Изображение: Alban Sauret/Princeton University


Кстати, совсем недавно физики придумали еще один способ, как при помощи кофе перевозить опасные грузы. Ученые из корейского Национального института науки и технологий в Ульсане показали, что спитая кофейная гуща идеально подходит для хранения природного газа — того самого, который горит синим пламенем в кухонных плитах. От 70 до 98 процентов в составе природного газа — это метан, и сегодня его перевозят в баллонах под большим давлением, что чревато взрывом.

Исследователи предложили хранить метан в специально подготовленной кофейной гуще: ее обрабатывают гидроксидом калия, а затем прогревают в печи до 700—900 градусов по Цельсию. Полученный материал, по словам авторов работы, «поглощает вообще всё», практически полностью исключая возможность взрыва. Второе достоинство такого материала — его цена, точнее, почти полное ее отсутствие.

У кофейной гущи вскоре может появиться вторая жизнь. Фото: Mark/flickr


Загадка кругов

Хотя капучино и латте проливаются реже черного кофе, пятна на всех возможных поверхностях они оставляют примерно одинаково часто. Следы от пролитого кофе имеют очень характерную форму: если присмотреться, легко заметить, что края пятен окрашены намного боле интенсивно, чем центр. Высыхая, капли кофе образуют те самые круги, которые так часто встречаются на столах в кафе и офисах. Неравномерность окраски очень беспокоила ученых, и теперь физики из Пенсильванского университета наконец выяснили, в чем же дело.

Секрет «кофейных кругов» в том, что кофе не истинный раствор, как, например, раствор соли в воде, а суспензия. То есть под микроскопом в кофе можно различить отдельные частицы — примерно так же, как в крови при увеличении видны ее форменные элементы, красные и белые кровяные тельца. Размер составляющих кофе частиц около одного микрометра (то есть они в тысячу раз меньше миллиметра) и каждая из них — это почти идеальная сфера.

Ученые показали, что, плавая в жидкости, сферические частицы сбиваются в плотные комки. Когда капля кофе, попавшая, например, на стол, начинает подсыхать, силы поверхностного натяжения «подсасывают» жидкость от центра пятна к его краям. Плотные сферические комочки движутся вместе с водой, а когда она испаряется, остаются на краях пятна.

Форма кофейных пятен может быть любой, но края всегда очерчены ярче центра. Фото: Jacob Gube/flickr


Исследователи моделировали высыхание кофейного пятна при помощи полимерных частиц разной формы. Когда ученые «разбавили» сферические частицы вытянутыми, эффект кофейных кругов исчез: эллиптические частички формируют менее плотные комки, которые легче разваливаются, поэтому отдельные частицы равномерно распределяются по пятну.

Статья исследователей с описанием физики кофейных пятен опубликована в одном из самых престижных научных журналов — Nature. И дело не в том, что его редакторы очень любят кофе. Во-первых, процессы, происходящие в жидкостях, чрезвычайно сложны, и любое новое знание о них очень ценно. А во-вторых, проблема кофейных кругов интересует не только уборщиц в офисах: неравномерность окраски в высохших каплях куда больше волнует полиграфистов и художников. Краски — это те же суспензии, и в них происходят точно такие же процессы, как в кофе.

Левитация в чашке

Еще одна до сих пор нерешенная загадка кофе — белесая пена, которая образуется на его поверхности. Чтобы не обижать главного конкурента кофе — чай, стоит отметить, что пена формируется и на нем, и даже на воде. Впервые ученые заинтересовались, откуда берется пена, еще в 1920-е годы, но до недавнего времени ответа на этот вопрос не было.

Кажется, теперь физики из Киотского университета подобрались к разгадке. Японцы подошли к задаче серьезно: чтобы наконец выяснить, как образуется пена, они поместили в чашку с водой миниатюрные камеры и стали постепенно нагревать содержимое. Оказалось, что по мере роста температуры крошечные — около 10 микрометров — капельки воды начинают бешено двигаться по чашке и даже «левитировать» над ней на высоте от 10 до 100 микрометров. Капли формируют треугольную решетку, которая составляет ту самую противную пену.

Число «левитирующих» капель увеличивается по мере нагревания. Изображение: Takahiro Umeki et al.


Какие силы помогают каплям «левитировать», пока неясно. По одной из версий, капли, как и многие другие миниатюрные объекты, легко приобретают электростатический заряд и отталкиваются друг от друга, формируя решетку. Другая гипотеза предполагает, что капли удерживаются в воздухе благодаря восходящим теплым потокам от поверхности воды. Чтобы выяснить, какая версия верна, понадобится еще много хитроумных экспериментов.

Кофе как квантовый объект

Помимо всего прочего, чашка кофе — идеальная модель для изучения многих чрезвычайно сложных квантовых процессов. По крайней мере, в этом уверен профессор Ноттингемского университета Филлип Мориарти (Philip Moriarty). Мысль, что кофе и квантовая механика, в сущности, очень похожи, пришла ученому за очередной чашкой напитка, и физик немедленно начал конструировать установку, чтобы проверить свое предположение.

Ученый хотел доказать, что стоячая волна, которая возникает в чашке кофе, если она стоит на трясущемся столе, идентична волнам в квантово-механических системах наподобие той, что изображена на иллюстрации.

Колебания электронной плотности в «изгороди» из атомов железа приводят к образованию стоячей волны — точно такой же, какая образуется в чашке кофе. Изображение: Mike Crommie, Chris Lutz, Don Eigler


Мориарти сравнивал чашку кофе с системой из 48 атомов железа, расположенных точно по окружности. Из-за колебаний электронной плотности в такой системе снаружи от «изгороди» из атомов железа возникает «рябь», а внутри — круговые стоячие волны. В чашке кофе можно получить точно такие же волны — конечно, не потому, что она является квантово-механическим объектом, а из-за того, что и чашка, и железная «изгородь» — почти идеальные окружности. Сходство двух систем не ограничивается внешним видом: поведение кофейных и электронных волн описывается одними и теми же уравнениями (конкретно — функциями Бесселя).



Так что кофе таит в себе гораздо больше интересного, чем видят сторонники и противники его употребления. Главное — не зацикливаться на привычном, а взглянуть на вещи по-новому. Или просто выпить чашечку эспрессо.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы