Мик О'Хэйр - Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого
Существенный рост перепада температур приводит к распаду узора ячеек, этот процесс делится на несколько усложняющихся стадий и наконец становится хаотическим.
Роджер Керси
Натли, Восточный Суссекс, Великобритания
Можно теоретически доказать, что наиболее эффективный рисунок тока в жидкости с большой площадью поверхности, в слое которой происходит перенос тепла со дна вверх, – шестиугольники, ширина которых равна толщине слоя жидкости. Горячая жидкость поднимается в центре ячеек, остывает на поверхности и затем погружается на дно по периметру шестиугольника. Подобный узор ячеек можно увидеть в любом масштабе: от миллиметровых экспериментальных сосудов до поверхности Солнца.
Гэри Одди
Крэнфилд, Бедфордшир, Великобритания
Выше читатели уже дали ответы на вопрос, но, как указывает автор ответа, приведенного ниже, объяснения рэлеевской модели конвекции были не вполне корректными, поскольку эта модель применима лишь для нагревающейся жидкости достаточной глубины. – Ред.
Поведение горячего масла на сковороде – классический пример конвекции Бенара, нестабильного движения жидкости на нагреваемой ровной поверхности, которое приводит к образованию в циркулирующей жидкости правильных шестиугольных ячеек. Известно, что лорд Рэлей разработал теорию, объясняющую эту нестабильность. Но мало кто знает, что его теория была неверной.
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.
Для эксперимента мы взяли три сорта печенья: одно с сахарной пудрой, другое с медом и последнее, контрольное, без подсластителей. Контрольное печенье за ночь потеряло 2,17 грамма воды, медовое – 2,03 грамма, а печенье с сахарной пудрой – 1,23 грамма. Медовое печенье теряло влагу потому, что концентрация воды в атмосфере превышала ее содержание в печенье.
Том Уинч
Эли, Кембриджшир, Великобритания
Крахмал состоит примерно из 20 % амилозы и 80 % амилопектина. Причина засыхания хлеба – ретроградация амилозы. Разумеется, при этом теряется влага, иначе хлеб не высыхал бы. Но можно позаботиться о том, чтобы из хлеба не испарялась влага, а он все равно станет черствым. Линейные молекулы амилопектина в частицах крахмала, которые в свежем хлебе разделяет влага, сближаются и приобретают более упорядоченную структуру со временем, поэтому хлеб становится жестким.
Этот процесс зависит от температуры, быстрее всего он происходит при температуре чуть выше точки замерзания, а ниже этой точки замедляется. Исследования показали, что хлеб, который хранили при температуре 7 °C (средняя температура в холодильнике), зачерствел так же быстро, как хлеб, который хранили при температуре 30 °C. Так что хранение хлеба в холодильнике не прибавляет ему свежести.
Элли Тейлор
Лондон, Великобритания
Явление, описанное в вопросе, отражено в законодательстве: именно из-за него выпечка иначе облагается налогом на добавленную стоимость. Со сладкой выпечки НДС берется, с хлеба – нет. Теперь у нас есть новое определение: печенье – изделие, которое не черствеет, в то время как несладкая выпечка становится черствой. Какие последствия это может иметь для налогообложения батонов, даже не представляю.
Ричард Батлин
Лондон, Великобритания
Сырная тянучка
«Почему жареный сыр становится тягучим?»
Джон Митчелл
Уишоу, Стратклайд, Великобритания
В сыре, который не подвергался тепловой обработке, содержатся длинноцепочечные молекулы белка, по-разному скрученные и представляющие собой влажную жирную массу. Когда мы нагреваем сыр, жиры и белки расплавляются, а когда жидкости становится слишком много, цепочки можно растянуть в длинные нити. Возьмите немного расплавленного сыра и потяните, и вы увидите множество тонких ниточек – точно таким же образом можно растягивать и скручивать в пряжу волокна хлопка.
Тот же опыт можно проделать с полиэтиленовым пакетом: достаточно нагреть его или растянуть так, чтобы скрутить или вытянуть длинноцепочечные молекулы. Когда молекулы скручиваются, пластик становится мягким и податливым. Если растянуть его, в направлении растягивания полиэтилен станет эластичным и прочным, но будет легко разделяться вдоль, между волокнами и цепочками.
