Jeden dotyk palca sprawia, że pieprz rozbiegnie się po całym talerzu. To nie magia – to napięcie powierzchniowe wody w akcji.
Co nam będzie potrzebne?
- płytki talerz lub miseczka
- woda
- mielony pieprz
- płyn do mycia naczyń
Tyle. Wszystko znajdziesz w każdej kuchni, a cały eksperyment trwa dosłownie minutę.
Jak wykonać doświadczenie?
Nalej wody na talerz – warstwa kilku milimetrów wystarczy, nie potrzebujesz dużo. Posyp powierzchnię wody pieprzem tak, żeby równomiernie ją pokrył – pieprz powinien unosić się na powierzchni, nie tonąć.
Możesz zrobić próbę kontrolną: zanurz suchy, czysty palec w środku talerza. Pieprz nie reaguje – stoi spokojnie. To ważne, bo wiesz teraz, że sam palec nie ma żadnego wpływu.
Wytrzyj palec, a następnie nalej na jego czubek odrobinę płynu do naczyń – dosłownie kroplę. Teraz powoli dotknij środka powierzchni wody.
Efekt jest natychmiastowy: pieprz błyskawicznie ucieka od twojego palca do brzegów talerza, jakbyś dotknął czegoś odpychającego. W rzeczywistości to woda „ucieka" – a pieprz jest tylko jej pasażerem na gapę.
Obejrzyj film
Wyjaśnienie naukowe
Woda ma napięcie powierzchniowe – zjawisko wynikające z tego, że cząsteczki wody wzajemnie się przyciągają. Cząsteczka wody w środku cieczy jest przyciągana ze wszystkich stron jednakowo. Cząsteczka na powierzchni ma jednak sąsiadów tylko po bokach i poniżej – brakuje jej przyciągania od góry. To powoduje, że powierzchnia wody zachowuje się jak naprężona, elastyczna błonka. Właśnie dzięki niej unoszą się na wodzie owady zwane nartnikami, a igła ostrożnie położona na powierzchni nie tonie.
Pieprz jest zbyt lekki, żeby przebić tę błonkę – unosi się na niej jak na macie.
Gdy dotykasz wody czubkiem palca pokrytym detergentem, wprowadzasz do niej surfaktanty – cząsteczki, które mają dwa końce: jeden lubi wodę (hydrofilowy), drugi jej unika (hydrofobowy). Surfaktanty wnikają między cząsteczki wody na powierzchni i rozrywają wiązania między nimi, obniżając napięcie powierzchniowe w miejscu dotyku.
W tym samym momencie woda przy brzegach talerza wciąż ma wysokie napięcie powierzchniowe. Powstaje różnica napięć – i woda zaczyna „uciekać" od miejsca o niższym napięciu (przy palcu) do miejsca o wyższym (przy brzegach). Pieprz jest przez nią porywany i leci razem z nią.
Zjawisko to – przepływ wywołany różnicą napięcia powierzchniowego – nosi nazwę efektu Marangoniego. Można go zaobserwować np. w „łzach wina": krople wina powoli spływające po ściankach kieliszka to właśnie efekt różnicy napięcia powierzchniowego między alkoholem a wodą.
Warianty
Kilka kropel w różnych miejscach – zamiast dotykać środka, dotknij kilku punktów jednocześnie lub po kolei. Każde dotknięcie stworzy własną „falę" uciekającego pieprzu.
Mydło zamiast płynu – mokry kawałek mydła do rąk daje taki sam efekt. Sprawdź też, co się stanie, jeśli użyjesz szamponu albo odżywki do włosów.
Po co detergent w zmywarce? – ten eksperyment wyjaśnia też, dlaczego mydło i detergenty tak skutecznie myją tłuste naczynia. Obniżone napięcie powierzchniowe sprawia, że woda lepiej wnika w tłuste zabrudzenia i je unosi.
Często zadawane pytania
Dlaczego po chwili efekt przestaje działać? Gdy detergent rozproszył się po całym talerzu, napięcie powierzchniowe jest wszędzie jednakowe i nie ma już różnicy, która powodowałaby ruch. Żeby powtórzyć eksperyment, wystarczy wylać wodę i nalać świeżej.
Czy to zadziała z olejem zamiast wody? Nie – olej ma inne napięcie powierzchniowe niż woda i inaczej reaguje na surfaktanty. Efekt Marangoniego możesz jednak zobaczyć na granicy wody i oleju, jeśli dodasz detergent: mieszanina zacznie się gwałtownie mieszać.
Czy nartniki używają napięcia powierzchniowego w ten sam sposób? Tak! Nartnik ma nogi pokryte mikroskopijnymi, hydrofobowymi włoskami, które nie przebijają błonki wody. Owad dosłownie stoi na napięciu powierzchniowym. Co ciekawe, nartniki też potrafią się poruszać, wydzielając substancje obniżające napięcie powierzchniowe za sobą – to ich naturalny „silnik".
Dlaczego efekt jest tak natychmiastowy? Przepływ wywołany różnicą napięcia powierzchniowego może być bardzo szybki – prędkość ruchu wody zależy od tego, jak duża jest różnica napięć. Detergent obniża napięcie bardzo gwałtownie, więc reakcja jest błyskawiczna. Gdybyś używał substancji, która zmienia napięcie wolniej, efekt byłby bardziej stopniowy.