масло взбирается по ней и вспыхивает только после того, как доберется до самого верха. Такая система способна поддерживать горение часами – ровно до тех пор, пока в чаше есть масло. Всё дело в процессе, который называется капиллярным поднятием и кажется чудесным: масло, оказывается, способно преодолевать тяготение и двигаться независимо. Но на самом деле это базовое свойство жидкостей, возможное потому, что они обладают так называемым поверхностным натяжением.
Способность течь придает жидкостям их структура: это промежуточное состояние между хаосом газов и молекулярной решеткой твердых тел. В газах молекулы обладают достаточной тепловой энергией, чтобы отрываться друг от друга и двигаться независимо. Это придает им динамичность – они расширяются, пока не займут весь свободный объем, – но в них нет почти никакой структуры. В твердых телах сила притяжения между атомами и молекулами намного превышает их тепловую энергию, заставляя их держаться вместе. Поэтому у твердых тел жесткая структура, но малая автономность молекул: когда вы берете со стола чашу, все ее атомы движутся вместе, как единый объект. Жидкости – промежуточное состояние между тем и другим. У атомов в них достаточно тепловой энергии, чтобы разорвать некоторые связи с соседями, но недостаточно, чтобы разорвать их все и стать газом. Они заперты в жидкости, но способны свободно двигаться в ее пределах. Это форма материи, в которой молекулы свободно плавают, образуя и разрывая связи друг с другом.
Среда, в которой существуют молекулы на поверхности жидкости, отличается от той, в которой существуют молекулы внутри ее. Молекулы на поверхности не окружены со всех сторон другими молекулами той же жидкости и поэтому образуют в среднем меньше связей, чем те, что находятся в толще жидкости. Неуравновешенность сил между поверхностью жидкости и ее толщей порождает напряжение – силу поверхностного натяжения. Она очень невелика, но достаточна, чтобы противодействовать силе тяготения для небольших объектов. Вот почему некоторые насекомые способны гулять по поверхности водоемов.
Водомерка на поверхности воды. © Alice Rosen
Посмотрите внимательно, как водомерка «ходит» по воде, и вы заметите, что та отталкивает ножки насекомого. Причина в том, что поверхностное натяжение между водой и ножками насекомого порождает силу отталкивания, которая противодействует тяготению. Некоторые виды взаимодействия жидкости и твердого тела имеют противоположный результат: они порождают силу молекулярного притяжения. Это относится, в частности, к воде и стеклу. Если взять в руку стакан с водой, можно увидеть, что ее край у границы со стеклом слегка приподнимается. Он называется мениском, и это тоже результат действия силы поверхностного натяжения.
Растения освоили этот фокус. Они втягивают воду наверх вопреки силе тяготения, из земли в свои тела, при помощи системы крохотных трубочек, которые проходят сквозь их корни, стебли и листья. Когда они становятся микроскопическими,