• Pieluchy. Podobnie jak żele pieluchy [pieluszki] mogą wchłonąć dużo wody – wagowo ponad 50 razy więcej moczu, niż same ważą, a w przypadku czystej wody aż 80 razy więcej. Jak udaje się im utrzymać tak dużo wody?

• Śliskość lodu. Materiały stałe zwykle nie ślizgają się łatwo po sobie. Pomyślmy o naszych butach przemieszczających się ulicą o dużym nachyleniu. Tarcie nie pozwala im ześlizgnąć się. Jeśli jednak pochyła powierzchnia jest oblodzona, to musimy zachowywać wielką ostrożność, aby uchronić się przed upadkiem. Dlaczego lód zachowuje się inaczej niż większość pozostałych ciał stałych?

• Obrzęk. Ktoś doznaje urazu kostki podczas meczu w tenisa. W ciągu kilku minut kostka pęcznieje do podwójnego rozmiaru. Dlaczego woda tak szybko spieszy do rany?

• Zamrożenie ciepłej wody. Pewien bystry uczeń szkoły podstawowej zaobserwował w trakcie lekcji gotowania coś dziwnego. Ze sproszkowanej mieszanki do produkcji lodów udało mu się szybciej uzyskać zmrożony przysmak, dodając do niej ciepłej wody zamiast zimnej. Ta paradoksalna obserwacja stała się sławna. Jak to jest, że ciepła woda może szybciej się zamrozić niż zimna?

• Wznosząca się woda. Liście są spragnione. W celu uzupełnienia wody utraconej przez odparowanie woda płynie w roślinach z korzeni w górę wąskimi przewodami. Powszechnie oferowane wyjaśnienie głosi, że górne zakończenia tych przewodów wywierają siłę ssącą na zawieszoną niżej wodę. W stumetrowych sekwojach jest to jednak problematyczne – ciężar wody zgromadzonej w każdej kapilarze jest wystarczająco duży, aby złamać przewód. Raz złamany przewód nie może już czerpać wody z korzeni. Jak natura zapobiega takim uszkodzeniom?

• Pękający beton. Betonowe chodniki pękają wypychane przez korzenie drzew. Korzenie składają się głównie z wody. Jak to jest, że zawierające wodę korzenie mogą wywierać nacisk, który potrafi przełamać betonową płytę?

• Kropelki na powierzchni. Krople wody tworzą koraliki na niektórych powierzchniach, a na innych rozlewają się. Takie rozprzestrzenianie się wody jest wykorzystywane do klasyfikowania różnych powierzchni (powierzchnie hydrofilne lub nie hydrofilne). Tego rodzaju klasyfikacja nie wyjaśnia jednak, dlaczego krople rozlewają się i jak daleko. Jakie siły powodują, że kropla wody się rozlewa?

• Chodzenie po wodzie. Być może już widzieliście film z jaszczurkami chodzącymi po powierzchni zbiorników wodnych. Jaszczurki biegają od jednego końca do drugiego. Jako wiarygodne wyjaśnienie do głowy przychodzi wysokie napięcie powierzchniowe wody, ale jeśli napięcie powierzchniowe podciąga tylko kilka warstw molekularnych, to powinno być raczej słabe. Co jest więc takiego w wodzie lub w jaszczurce, co umożliwia ten niemalże biblijny wyczyn!

• Pojedyncze chmury. Para wodna unosi się z rozległych obszarów wód oceanicznych i powinna być wszędzie. Jednak puszyste białe chmury często stanowią odrębne zbiorowiska wody, które odróżniają się wyraźnie swoim wyglądem na tle jasnego, błękitnego nieba (patrz rysunek 3). Jaka siła kieruje rozproszoną parę wodną do tych szczególnych miejsc?

 

 

Rys. 3. Co kieruje unoszącą się parę wodną w określone miejsca?

 

 

• Skrzypiące stawy. Głębokie zgięcia kolan generalnie nie powodują pisków. To dlatego, że woda zapewnia doskonałe smarowania pomiędzy kośćmi, faktycznie to między warstwami chrząstek, którymi wyścielone są kości. Jaka cecha wody zmniejsza tarcie?

• Pływanie lodu. Większość substancji kurczy się, gdy stygnie. Woda również, ale tylko do 4 stopni Celsjusza. Poniżej tej krytycznej temperatury woda zaczyna się rozszerzać, i to nawet bardzo, gdy zamienia się w lód. Dlatego lód pływa. Co jest specjalnego w temperaturze 4 stopni Celsjusza i dlaczego lód ma mniejszą gęstość niż woda?

• Konsystencja jogurtu. Dlaczego jogurt trzyma się razem tak mocno?

 

Tajemnice z laboratorium

Teraz przyjrzymy się kilku prostym laboratoryjnym doświadczeniom, poczynając od tego zauważonego przez uczniów pędzących korytarzem, żeby pokazać mi, co znaleźli.

 

• Migrujące mikrosfery

Moi studenci zrobili prosty eksperyment. Wrzucili kilka maleńkich kulek, znanych jako mikrosfery, do zlewki z wodą, potrząsnęli zawiesiną w celu jej jednorodnego wymieszania, przykryli zlewkę, aby zminimalizować parowanie, i udali się do domu, aby się spokojnie przespać.

Zgodnie z tradycyjnym myśleniem nie powinno się stać nic wielkiego poza utworzeniem się osadu na dnie zlewki. Zawiesina powinna być jednorodnie mętna, tak jakby ktoś wlał kilka kropel mleka do wody i wstrząsnął całością energicznie.

W przeważającej części zawiesina była jednolicie mętna, ale w pobliżu środka zlewki (patrząc z góry) w niewytłumaczalny sposób uformował się klarowny cylinder biegnący od góry do dołu (patrz rysunek 4).

 

 

Rys. 4. Blisko centrum jasna strefa w otoczeniu zawiesiny mikrosfer. Dlaczego spontanicznie powstaje wolny od mikrosfer cylinder?

 

 

Klarowność tego cylindra oznaczała, że nie zawierał on żadnych mikrosfer. Jakaś tajemnicza siła usunęła je z centralnego rdzenia i przemieściła ku ściance zlewki. Te jasne cylindry powstawały w powtarzalny sposób – wytwarzaliśmy je wielokrotnie – dopóty, dopóki początkowe warunki utrzymywały się w ściśle określonych ramach.³

Pytanie brzmi: co sprawia, że mikrosfery zanurzone w wodzie oddalają się od centrum naczynia?