• Most z wody
Kolejne ciekawe zjawisko laboratoryjne to tak zwany „wodny most”, który łączy wodę w dwóch szklanych zlewkach unosząc się nad oddzielającą je szczeliną.
Chociaż wodny most jest stuletnią ciekawostką, dr Elmar Fuchs i jego koledzy stali się pionierami współczesnego wcielenia tego zjawiska, które wzbudziło zainteresowanie na całym świecie.
Demonstracja zaczyna się od wypełnienia wodą prawie po brzegi dwóch zlewek, a następnie umieszczenia ich tuż obok siebie, tak żeby prawie stykały się brzegami.
Elektroda zanurzona w każdej zlewce wymusza różnicę potencjałów rzędu 10 kV. Woda w jednej ze zlewek natychmiast skacze ku krawędzi i tworzy pomost łączący ją z wodą w drugiej zlewce. Po uformowaniu mostka obie zlewki można powoli odsunąć od siebie. Mostek nie złamuje się i nadal się wydłuża, rozciągając się ponad oddzielającą zlewki przerwą, nawet gdy ich brzegi oddalone są od siebie na odległość kilku centymetrów (patrz rysunek 5).
Rys. 5. Most z wody nad przerwą oddzielającą dwie napełnione wodą zlewki. Co podtrzymuje ten most?
O dziwo, wodny most nie opada i wykazuje sztywność prawie taką jak lód, mimo iż doświadczenie jest przeprowadzane w temperaturze pokojowej.
Zalecam oprzeć się pokusie powtórzenia tego wymagającego wysokiego napięcia eksperymentu, chyba że ktoś uważa się za odpornego na porażenie prądem elektrycznym. Lepiej obejrzeć film wideo przedstawiający to zdumiewające zjawisko.4
Pytanie brzmi: co podtrzymuje ten wodny most?
• Pływająca kropla wody
Woda powinna z miejsca mieszać się z wodą. Jeśli jednak wypuszcza się kropelki wody z wąskiej rurki umieszczonej tuż nad naczyniem z wodą, często te kropelki unoszą się na powierzchni wody przez pewien czas, zanim się w niej rozpuszczą (patrz rysunek 6). Czasami kropelki utrzymują się przez kilkadziesiąt sekund.
Rys. 6. Krople wody utrzymują się na powierzchni wody przez pewien czas. Dlaczego?
Jeszcze bardziej paradoksalne jest to, że kropelki nie rozpuszczają się w jednym momencie, ale w kolejności spuszczania ich do zbiornika.5 Ich rozpad przypomina zaprogramowany taniec.
Pływające krople wody można zobaczyć w przyrodzie, jeśli ktoś wie, gdzie ich szukać. Dobry czas jest tuż po deszczu, gdy woda kapie z nawisów nad kałużami lub z burt żaglówek do jeziora. Nawet krople deszczu czasami pływają po powierzchni wód gruntowych, kiedy spadają bezpośrednio na nie.
Oczywiste pytanie brzmi: jeśli woda naturalnie miesza się z wodą, to co opóźnia ten naturalny proces?
• Wyładowanie lorda Kelvina
Wreszcie rysunek 7, który przedstawia kolejne zjawisko zmuszające do podrapania się po głowie. Woda wylewająca się z odwróconej do góry nogami butelki lub ze zwykłego kranu zostaje rozdzielona na dwie strugi. Krople spadające w każdej strudze przed wpadnięciem do metalowych pojemników przelatują przez metalowe pierścienie.
Rys. 7. Demonstracja kroplomierza Kelvina. Rosnące poziomy wody wytwarzają wysokonapięciowe wyładowanie. Dlaczego tak się dzieje?
Pierścienie i pojemniki są połączone naprzemiennie przewodami elektrycznymi, tak jak pokazuje to rysunek. Do każdego z tych pojemników przytwierdzone są na metalowym pręcie usytuowane naprzeciwko siebie metalowe kulki. Kulki oddzielone są od siebie kilkumilimetrową szczeliną powietrzną.
Ten wymyślony przez lorda Kelvina eksperyment daje zaskakujący wynik. Kiedy spadnie dostateczna ilość kropel, rozlegają się trzaski. Wkrótce potem między kulkami przez rozdzielającą je szczelinę zaczyna przeskakiwać iskra, której towarzyszy wyraźnie słyszalny trzask.
Wyładowanie elektryczne może nastąpić tylko wtedy, gdy między dwoma pojemnikami powstanie znaczna różnica potencjału elektrycznego. Ta różnica potencjałów może łatwo osiągnąć nawet 100 000 woltów, przy czym zależy ona dodatkowo od wielkości szczeliny.
Jednak do stworzenia rosnącej różnicy potencjałów z jednego źródła wody konieczne jest potężne rozdzielenie ładunku.
Zbudowanie jednego z tych egzotycznych urządzeń w domu jest możliwe, jednak obserwowanie wyładowania na wideo jest znacznie prostsze.6
Dobrym przykładem jest eksperyment przeprowadzony przez profesora Waltera Lewina, który demonstruje to wyładowanie studentom pierwszego roku MIT (Massachusetts Institute of Technology).7
Następnie prosi studentów, żeby wyjaśnienie tego zjawiska potraktowali jako pracę domową.
A czy ty, czytelniku, potrafisz wyjaśnić, jak jedno źródło wody może doprowadzić do tak ogromnego rozdzielenia ładunku?
Wnioski z tych zagadek
Przedstawione tu zjawiska nie dają się w prosty sposób wyjaśnić. Nawet wybitny naukowiec zajmujący się wodą, którego znam, nie potrafi dostarczyć zadowalających odpowiedzi. Większość oferowanych wyjaśnień jest bardzo powierzchowna.
W naszym rozumowaniu czegoś ewidentnie brakuje, w przeciwnym razie te zjawiska byłyby bardzo łatwo wytłumaczalne. A nie są.
Ponownie podkreślam, że nie mamy tu do czynienia z wodą na poziomie molekularnym, ale z dużą liczbą cząsteczek wody. Wciąż nie rozumiemy wzajemnych interakcji między cząsteczkami – to znaczy „towarzyskich” zachowań wody.
O autorze:
Dr Gerald H. Pollack jest profesorem bioinżynierii Uniwersytetu Washington w Seattle, gdzie kieruje laboratorium. Jest redaktorem naczelnym interdyscyplinarnego czasopisma naukowego Water (Woda) (patrz www.waterjournal.org). Dr Pollack otrzymał wiele wyróżnień i nagród, jest także międzynarodowym liderem w dziedzinie badania wody. Można się z nim kontaktować pisząc na adres poczty elektronicznej ghp@u.washington.edu.
Przełożył Jerzy Florczykowski
Przypisy:
1. Philip Ball, H2O: A Biography of Water, Weidenfeld & Nicholson, 1999.
2. Y. Osada, J. Gong, „Stimuliresponsive polymer gels and their application to chemomechanical systems”, Prog. Polym. Sci., 1993; 18:187–226.
3. K. Ovchinnikova, G.H. Pollack, „Cylindrical phase separation in colloidal suspensions”, Phys. Rev. E., 2009; 79(3), 036117.
4. www.youtube.com.
5. I.S. Klyuzhin, F. Ienna, B. Roeder, A. Wexler, G.H. Pollack, „Persisting water droplets on water surfaces”, J. Phys. Chem. B, 2010; 114:14020–7.
6. www.youtube.com.
7. tinyurl.com.
Uwaga redakcji:
Niniejszy artykuł jest zredagowanym wyciągiem z 1 i 2 rozdziału książki dra Geralda H. Pollacka The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid, and Vapor (Czwarty stan wody – poza stałym, ciekłym i gazowym) wydanej w roku 2013 przez wydawnictwo Ebner & Sons Publishers z Seattle (www.ebnerandsons.com).
