Поверхностное натяжение

А мне очень приятно, — радостно сказал Пятачок, — что я догадался подарить тебе такую Вещь, которую можно класть в этот ПолезныйГоршок!

Винни-пух

А. А. Милн

Когда природа изобрела нечто, именуемое жизнью, она, наверное, не моглане оглядеться озабоченно по сторонам в поисках Полезного Горшка, в которыйэту жизнь можно было бы положить, поскольку, оставаясь незащищенной, жизньочень быстро захирела бы. В те времена на нашей планете, вероятно, имелиськамни, песок, вода и разного рода газы, но все это вряд ли было подходящимматериалом, чтобы изготовить для жизни требуемые “контейнеры”. Можно былобы сделать твердые оболочки из минералов, но мягкие оболочки, по-видимому,имели бы перед ними огромные преимущества, особенно на ранних стадиях эволюции.

Физиология требует от стенок клеток и других мембран в живых организмахдовольно строго управляемой проницаемости для одних молекул и полнойнепроницаемости для других. Механические функции этих мембран сводились кфункциям некоторого подобия эластичного мешка. Они должны сопротивляться силамрастяжения и сильно увеличивать свои размеры, не лопаясь и не разрываясь. Крометого, в большинстве случаев после того, как растягивающая их сила прекратиласвое действие, они должны принимать сами по себе свои первоначальныеразмеры.

Деформации, которые без вреда для себя и по многу раз могут испытыватьсуществующие в настоящее время живые мембраны, довольно значительны, но,как правило, лежат в пределах 50-100%. Для обычных же технических материаловпредельные деформации, не представляющие опасности в эксплуатации, какправило, имеют величину менее 0,1%. Таким образом, биологические тканидолжны вести себя упругим образом при деформациях, примерно в 1000 разбольших, чем те, которые испытывают обычные конструкционные материалы.

Этот гигантский скачок величин деформации опрокидывает многие традиционныепредвзятые представления инженера об упругости и о поведении конструкций.Вполне очевидно, что упругие деформации такой величины не могут обеспечитьтвердые тела кристаллического или стеклообразного строения – минералы,металлы или другие твердые вещества. Поэтому естественно, по крайней мередля ученого-материаловеда, предположить, что живые клетки могли возникнутьв виде капелек, удерживаемых силами поверхностного натяжения. Однако доуверенности в том, что дело обстояло именно таким образом, нам очень далеко- на самом деле все могло происходить совсем иначе, или, во всяком случае,гораздо сложнее. Что несомненно, так это то обстоятельство, что упругоеповедение мягких тканей животных напоминает поведение поверхности жидкости,и поэтому, вероятно, его можно описать, основываясь на анализе последнего.

Поверхностное натяжение

Если мы увеличиваем площадь поверхности жидкости, то тем самым мы увеличиваемчисло молекул, имеющихся на ее поверхности. Эти дополнительные молекулы моглипопасть на поверхность только из внутренних областей жидкости, и чтобы ихвытащить оттуда, требуется совершить работу против сил, стремящихся удержать ихвнутри жидкости; можно показать, что эти силы достаточно велики. По этойпричине создание новой поверхности требует затрат энергии, и поверхностьоказывается натянутой, причем натянутой вполне реальнымисилами. Это проще всего наблюдать накапельках воды или ртути, где силы поверхностного натяжения заставляют капелькупринимать более или менее сферическую форму, несмотря на действие сил тяжести.

Когда капля свисает из отверстия крана, вес воды в капле уравновешиваетсясилами поверхностного натяжения. Это лежит в основе простого школьногоэксперимента, в котором определяют поверхностное натяжение воды и другихжидкостей, подсчитывая число упавших капелек и находя их общий вес.

Хотя натяжение на поверхности жидкости столь же реально, как напряжениев струне или в любом другом твердом теле, оно отличается от упругого, илигуковского, напряжения по крайней мере в трех важных пунктах:

1) сила поверхностного натяжения не зависит от величины деформации,а является постоянной, как бы сильно ни увеличивалась площадь поверхности;

2) в отличие от ситуации в твердом теле поверхность жидкости можно увеличивать,по существу, до бесконечности и создавать сколь угодно большие деформациибез разрушения;

3) сила поверхностного натяжения в каком-либо поперечном сечении жидкостине зависит от площади этого поперечного сечения, а зависит только от длиныконтура поверхности в этом сечении.

Поверхностное натяжение имеет точно ту же величину и в случае глубокойванны или толстого слоя жидкости, и в случае мелкой ванны или тонкого слояжидкости. Капли жидкости в воздухе вряд ли можно себе представить как биологическийобъект: они существуют, лишь пока не упадут на землю, но капельки однойжидкости, взвешенные внутри другой, могут существовать бесконечно долго,и они играют большую роль в биологии и в технике. Системы такого рода называютсяэмульсиями. Известными примерами эмульсий служат молоко, смазочные материалыи многие виды красок.

Капельки имеют в общем сферическую форму, и в то время как объем сферыпропорционален кубу ее радиуса, площадь поверхности сферы пропорциональнаквадрату радиуса. Отсюда следует, что, если бы две одинаковые капелькиобъединились и образовали капельку вдвое большего объема, это привело бык заметному уменьшению общей площади поверхности содержащейся в них жидкости