Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы - от кухни до космоса

Если посмотреть, как улитка двигается, вы не увидите ничего особенного, так как наружный обод ее «ступни» просто перемещается с постоянной (очень медленной) скоростью. Все то, что по краям, происходит очень неспешно: слизь подобна кетчупу в неподвижном состоянии: то и другое имеет густую, липкую и очень малоподвижную консистенцию. Но снизу, посередине, мышечные волны проходят от спины улитки к ее голове. Каждая такая волна с большой силой проталкивает слизь вперед, заставляя ее достаточно быстро перемещаться. Как и кетчуп, слизь «разжижается при сдвиге», поэтому при ее перемещении с достаточно большой скоростью ее текучесть резко повышается. Улитка плывет поверх этой жидкой слизи за счет упоминавшихся выше мышечных волн, пользуясь ее пониженным сопротивлением. Улитке нужна не только жидкая, но и густая слизь, чтобы было от чего отталкиваться. Единственная причина, позволяющая улиткам (и слизням) перемещаться, состоит в том, что одна и та же слизь может вести себя либо как твердое тело, либо как жидкость, в зависимости от того, насколько быстро они заставляют ее перемещаться. Огромное преимущество такого метода заключается в том, что улитка не падает, ползая по потолку «вверх тормашками», потому что никогда не приподнимает себя над поверхностью.

Каким же образом улитке удается этот трюк? Слизь улитки представляет собой гель, состоящий из очень длинных молекул, называемых гликопротеинами, переплетенных между собой. Когда слизь улитки пребывает в состоянии покоя, между цепочками молекул образуются химические связи, поэтому слизь ведет себя как твердое тело. Но при достаточно сильном толчке эти связи внезапно разрываются, и все длинные молекулы могут легко скользить относительно друг друга, подобно нитям спагетти. Если такую слизь оставить на какое-то время в покое, химические связи между цепочками молекул восстановятся. Достаточно лишь секунды, чтобы вы снова получили гель.

Если бы тогда я знала все это, могла бы я защитить рассаду от улиток? Оказывается, защиту невозможно обеспечить, подбирая поверхность, к которой улитка не могла бы «приклеиться». Слизь приклеивается буквально ко всему, что вы могли бы найти у себя дома, – в том числе к поверхностям, которые специально выполнены как неклеющиеся. Эксперименты показали, что улитки способны «приклеиваться» даже к сверхгидрофобным поверхностям – то есть тем, на которых вода совершенно не задерживается. Это поистине замечательное свойство, которым, однако, могут восторгаться лишь те, кому не приходится защищать от улиток драгоценную рассаду.

Тот же механизм положен в основу так называемых нестекающих красителей. Когда такая краска пребывает в состоянии покоя, она имеет густую, тягучую и липкую консистенцию. Но если ткнуть в нее малярной кистью, она становится гораздо менее вязкой и ее можно легко наносить на нужную поверхность (например, на стену) тонким и ровным слоем. Но как только вы отнимете кисть, краска через какое-то время вновь станет очень вязкой и не будет стекать вниз по стене до полного высыхания.

Кетчуп и улитки – это, конечно, мелочь, но тот же физический принцип может иметь серьезные последствия в гораздо большем масштабе. Крайстчерч в Новой Зеландии был очаровательным и мирным городом, когда я посетила его в 2002 году. Почва здесь состоит из осадочных пород: слой на слое крошечных частиц, наносимых рекой Эйвон на протяжении миллионов лет. Это прелестное местечко, однако Крайстчерч, фигурально говоря, сидит на бомбе замедленного действия. В 12:51 по местному времени 22 февраля 2011 года примерно в 11 километрах от центра города произошло землетрясение магнитудой 6,3 балла. Само по себе землетрясение стало немалым бедствием: людей подбрасывало высоко в воздух, а здания рушились, как карточные домики. Но осадочные породы, на которых построен город, были прочными, лишь пока пребывали в состоянии покоя. Мощное встряхивание превратило их, подобно кетчупу, в жидкость. Подробности на микроуровне отличаются – но лишь очень незначительно: вместо химических связей между длинными молекулярными цепочками вода проникает между крупицами песка и отдаляет их друг от друга, в результате чего они начинают течь. Но в целом физические процессы в том и другом случае одинаковы: если твердую почву быстро «расшевелить», она, как и жидкость, начинает течь.

Автомобиль – достаточно тяжелый объект, поэтому гравитация заставляет его оказывать серьезное давление на почву в том месте, где он стоит. Автомобили не проваливаются сквозь землю, поскольку она достаточно твердая, чтобы успешно сопротивляться их давлению. Но в Крайстчерче буквально за несколько минут это общее правило было нарушено. В тот день немало машин было припарковано на песчаных обочинах дорог, покоясь на хорошо спрессованной почве, на протяжении многих десятилетий пребывавшей в неподвижности. В результате землетрясения слои песка пришли в движение и начали очень быстро скользить относительно друг друга из стороны в сторону. Если бы скольжение происходило медленно, то автомобилям ничто не угрожало бы. Но все случилось настолько быстро, что вода проникла между крупиц песка и им просто не хватило времени, чтобы вернуться в прежнее положение до того, как им пришлось двигаться в другом направлении. Поэтому вместо слоев песка, неподвижно покоящихся друг на друге, почва внезапно превратилась в смесь песка и воды, не обладающую какой-либо фиксированной структурой. Автомобиль, припаркованный поверх такой смеси, неминуемо должен был провалиться в это месиво по мере продолжения подземных толчков. Но как только толчки прекратились, буквально за пару секунд крупицы песка несколько «уселись»: теперь их снизу поддерживала не вода, а другие крупицы песка. Почва вновь отвердела, однако к этому времени автомобиль уже наполовину ушел в песок.