Если опустить край сухого бумажного полотенца в стакан с водой, влажное пятно начнёт подниматься выше уровня жидкости. Для этого не нужен насос и не требуется сжимать бумагу. Вода движется по крошечным промежуткам между волокнами благодаря капиллярному действию — сочетанию притяжения молекул к поверхности и друг к другу.
Почему вода поднимается по бумаге, а не остаётся в стакане
Бумажное полотенце состоит из множества переплетённых волокон целлюлозы. Между ними остаются узкие проходы, по которым жидкость может распространяться в разные стороны, в том числе вверх. Поверхность волокон хорошо смачивается водой, поэтому молекулы воды притягиваются к ней и заполняют доступные промежутки.
Притяжение воды к другому материалу называется адгезией. Одновременно действует когезия — взаимное притяжение молекул воды, благодаря которому они удерживаются вместе. Эти силы и поверхностное натяжение позволяют жидкости двигаться внутри пористого материала; такое явление называют капиллярным действием.
Почему вода не поднимается бесконечно
Подъём не означает, что сила тяжести перестаёт действовать. По мере продвижения вверх вес удерживаемой жидкости возрастает, и в какой-то момент капиллярные силы уже не могут поднимать её выше. На результат влияют размеры промежутков между волокнами, свойства поверхности и самой жидкости.
В узких капиллярах вода при прочих равных может подняться выше, чем в широких. Однако скорость и итоговый объём впитывания зависят не только от размера пор: важны также плотность и строение бумажного слоя. Поэтому два внешне похожих полотенца могут по-разному удерживать пролитую воду.
Как проверить капиллярное действие дома
Для простого опыта достаточно стакана воды и узкой полоски бумажного полотенца. Опустите в воду только нижний край и оставьте остальную часть полоски над стаканом. Постепенно на сухой бумаге появится влажная область, которая будет перемещаться вверх; пищевой краситель помогает сделать границу заметнее.
Такой опыт используется и в учебных материалах NASA: вода проходит через промежутки между волокнами, а адгезия и когезия обеспечивают её движение. Если повторить наблюдение с разными видами бумаги, скорость намокания может отличаться. Для сравнения нужно сохранять одинаковыми длину полосок и глубину погружения.
Где ещё встречается этот эффект
Капиллярное действие помогает жидкости распространяться по ткани, почве и другим пористым материалам. Похожий механизм можно увидеть, когда чернила растекаются по бумаге или вода поднимается по узким каналам в растительных тканях. При этом движение воды к верхушкам высоких деревьев нельзя объяснить одной капиллярностью: в переносе воды участвуют и другие процессы.
Как поясняет Геологическая служба США (USGS), капиллярное действие связано с адгезией, когезией и поверхностным натяжением. Оно не отменяет гравитацию, а позволяет жидкости перемещаться по достаточно узким каналам, пока действующие силы это допускают. Поэтому обычное бумажное полотенце способно впитать воду даже тогда, когда его сухая часть находится выше поверхности жидкости.