Twoja wyszukiwarka

JAN GAJ
LABORATORIUM WIEDZY I ŻYCIA - JAK ZAMIENIĆ WODĘ W WINO
Wiedza i Życie nr 7/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 7/2001

Co jest na powierzchni wody?
Czy mydło myje?
Jak zadziwić przyjaciół?

Nie zachęcam, oczywiście, do prób powtórzenia znanego wydarzenia z Kany Galilejskiej sprzed 2000 lat, ale do zabawy z wodą. Odkrywając jej ciekawe właściwości, będziemy mogli pokazać „sztuczkę”, która zadziwi przyjaciół i znajomych. Spróbujmy jednak wcześniej odpowiedzieć na pytanie: Co jest na powierzchni wody? „Jak to co, woda” – mamy ochotę odpowiedzieć, wzruszając ramionami. Zgadzając się z taką odpowiedzią, muszę zaprotestować przeciw lekceważeniu pytania, bowiem woda (na powierzchni) wodzie (wewnątrz cieczy) nie równa. Przekonuje nas o tym choćby proste doświadczenie zwane „brudasem”: sypiemy na powierzchnię czystej wody na talerzu zmielony pieprz, którego drobiny mają symbolizować kąpiących się w basenie. Kiedy do basenu wchodzi brudas, to znaczy dotykamy wody palcem posmarowanym odrobiną płynu do zmywania, wszyscy (pieprz) szybko od niego uciekają (ryc. 1).

Zwolennik wzruszania ramionami może jednak skonstatować, że to płyn do zmywania odepchnął drobiny pieprzu i że woda nie ma w tej sprawie nic do gadania. Możemy go jednak przekonać, spryskując czystą wodą* teflonową powierzchnię patelni: woda będzie zbierała się na jej powierzchni w postaci kropelek – bardziej lub mniej spłaszczonych w zależności od ich wielkości.

A więc coś nie pozwala kropelkom rozpływać się po powierzchni. To coś, przypominające w działaniu elastyczną napiętą błonkę na powierzchni cieczy, fizycy nazwali napięciem powierzchniowym. Jego przyczyną są siły spójności między cząsteczkami wody. Wewnątrz cieczy   równoważą się one, działając na wszystkie strony, natomiast cząsteczka na powierzchni jest tymi siłami wciągana do środka, dlatego ciecz dąży do zmniejszenia powierzchni swobodnej.

Co robi płyn do zmywania?

Ryc. 1. "Brudas": pieprz, którym posypano powierzchnię wody w talerzu, ucieka od palca pobrudzonego płynem do zmywania

Przekonani o obecności napięcia powierzchniowego możemy zaproponować lepszą interpretację doświadczenia z „brudasem”: to płyn do zmywania „psuje” napięcie powierzchniowe i pieprz nie jest odpychany, lecz odciągany tam, gdzie ono jeszcze działa. Możemy się upewnić o słuszności takiej hipotezy, spryskując teflonową powierzchnię wodą lekko zanieczyszczoną płynem do zmywania. Sprawdzimy, że nawet bardzo małe zanieczyszczenie zmniejsza skłonność wody do zbierania się w krople. To jest właśnie funkcja mydła i innych środków powierzchniowo czynnych: one wcale nie myją, tylko pozwalają robić to wodzie przez obniżenie jej napięcia powierzchniowego, dzięki czemu woda wnika w maleńkie szczeliny między brudem a rzeczą mytą czy praną.

Wiele często opisywanych doświadczeń pozwala zaobserwować skutki napięcia powierzchniowego. Wycięta z papieru łódeczka położona na powierzchni czystej wody rusza zdecydowanie do przodu, gdy spuścimy na krawędź jej rufy kropelkę roztworu mydła, szamponu czy płynu do zmywania. Napięcie powierzchniowe może utrzymywać na powierzchni wody drobne przedmioty metalowe (np. igłę). Ono także decyduje o oddziaływaniu między dwoma niewielkimi obiektami pływającymi, które mogą się przyciągać lub odpychać (warto zbadać doświadczalnie, od czego to zależy). Jeżeli jednak chcemy zaimponować w gronie niewtajemniczonych jakimś efektem mniej znanym a spektakularnym, w którym napięcie powierzchniowe odgrywa istotną rolę, proponuję następujące niesłusznie zapomniane doświadczenie.

Zamieniamy wodę w wino

Ryc. 2. Doświadczenie Toma Wita

Sięgnąłem do książki Toma Tita, wydanej trochę ponad 100 lat temu przez Librairie Larousse w Paryżu pod wdzięcznym tytułem „La science amusante”. Mimo brzmiącego z angielska nazwiska jej autora, książka nie pozostawia wątpliwości co do kraju swojego pochodzenia: wino, tak ważne dla Francuzów, odgrywa w niej dużą rolę. Jedno z opisanych tam doświadczeń wymaga zestawienia dwóch kieliszków brzegami w taki sposób, aby oba były wypełnione wodą (ryc. 2).

Na nich Tom Tit postawił trzeci kieliszek z czerwonym winem i zachęcał czytelników do przyjmowania zakładów, że przeprowadzi wino z górnego kieliszka do środkowego, pozostawiając w dolnym czystą wodę i nie dotykając kieliszków ani wina. Należało to zrobić, wpuszczając kawałek grubej nici jednym końcem do kieliszka z winem i wykładając drugi koniec na zewnątrz. Wino, zwilżając taki knot, wydostawało się po nim na zewnątrz i spływając kroplami po środkowym kieliszku, dostawało się do szpary między złożonymi brzegami kieliszków, gdzie napięcie powierzchniowe wsysało je do środka. Tam, jako lżejsze od wody, wpływało do górnego z dwóch złożonych brzegami kieliszków, po jakimś czasie całkowicie go wypełniając.

Próbowałem to doświadczenie powtórzyć, ale moje wino okazało się cięższe od wody – widocznie było w nim za dużo cukru, a za mało alkoholu. Ponadto kolor jego był mało intensywny, co osłabiało nieco efekt doświadczenia. Aby tym kłopotom zaradzić, osoliłem wodę, która stała się przez to cięższa, a zamiast wina użyłem wody zabarwionej koncentratem buraczanym, co dało znacznie intensywniejszy kolor. Funkcję knota spełnia doskonale pasek ręcznika papierowego. Nie chcąc ryzykować, że jego koniec nie sięgnie dna kieliszka, warto go obciążyć monetą lub spinaczem biurowym. W tej wersji doświadczenie z pewnością zaimponuje obserwatorom. Jest tylko jedna subtelność: kieliszki nie powinny być złożone idealnie równo, lecz z niewielkim przesunięciem, tak aby wytworzyła się szczelina, przez którą zabarwiona ciecz będzie mogła się dostać do środka.  Napięcie powierzchniowe nie pozwoli wodzie wylać się przez szczelinę, przynajmniej w początkowej fazie doświadczenia, bo potem nadmiar czystej wody znajdzie sobie drogę, żeby spłynąć po dolnym kieliszku (spłynie także niewielka część zabarwionej wody). Czas trwania doświadczenia zależy oczywiście od pojemności kieliszków i łatwo może przekroczyć godzinę; dla przyspieszenia warto użyć kilku pasków ręcznika papierowego jednocześnie. Radzę wykonać to doświadczenie na głębokim talerzu lub w salaterce, żeby spływająca na dół zabarwiona woda nie narobiła szkody, a także żeby uniknąć kłopotów w razie niezręcznego ruchu i wylania się zawartości kieliszków. Powodzenia!

* Uwaga: jeżeli zrobimy to ręką niedostatecznie wypłukaną po poprzednim doświadczeniu, woda nie będzie czysta!

Prof. dr hab. JAN GAJ pracuje w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego.

Od redakcji: zachęcamy do lektury „Laboratorium WiŻ” w Internecie pod adresem: www.proszynski.pl/wiedzaizycie/laboratorium. Kolorowe fragmenty tekstu artykułu są tam rozwinięte w postaci przypisów, tabel, wykresów, a czasem także dźwięków i animacji.