Vypadá to jako magie, ale dnešní fyzika zná přesně tři mechanismy, které dokážou vodu „přesvědčit“, aby gravitaci ignorovala: kapilární jev, povrchové napětí a adhese na materiálu. Společně vytvářejí iluzi, že voda teče do kopce. A právě tahle „iluze“ nám odhaluje jednu z nejzajímavějších vlastností tekutin.

1) Kapilární jev: když je trubička tenčí než vaše trpělivost

Kapilární vzlínání je klasika učebnic — ale jeho důsledky jsou mnohem dramatičtější, než si většina lidí uvědomuje. Voda se může vyšplhat i několik centimetrů proti gravitaci, pokud je prostor dostatečně úzký a materiál přitahuje vodní molekuly.

Jak to funguje?

Voda miluje přilnavost — ráda se „přilepí“ ke stěnám úzkého prostoru. Když je otvor malý, síla adheze přetlačí gravitaci. Molekuly se vzájemně táhnou vzhůru, jako když se držíte za ruce v davu.

Kde to vidíme každý den?

• jak voda „leze“ ve štětině štětce,

• jak se šíří v papírovém ubrousku,

• jak rostliny vedou vodu z kořenů až do listů - rostliny jsou doslova kapilární superstroje.

ČTĚTE TAKÉ: Voda není jen jedna: fyzikové objevili dvě tekutiny, které vysvětlují její největší záhady
--

2) Povrchové napětí: molekulární týmová práce

Povrchové napětí můžeme chápat jako elastickou membránu vytvořenou molekulami vody, které se navzájem drží silou, jež je překvapivě robustní. Když má tato „membrána“ oporu, voda se může zdánlivě „převalit přes hranu“ po klenuté sklenici, po zakřiveném povrchu, po tenké stěně, která je mírně nakloněná.

A kdy se zdá, že teče nahoru?

Když povrch pootočíme jen o několik stupňů proti gravitaci. Voda drží tvar díky soudržnosti molekul — a gravitace ji nezlomí okamžitě. Výsledek? Z dálky to vypadá, jako by stoupala.

3) Adheze: voda a materiály, které si padly do oka

Některé povrchy mají tak silnou afinitu k vodě, že dokážou přerámovat celý její pohyb. Hydrofilní materiály (sklo, papír, minerální povrchy) přitahují vodní molekuly víc než gravitace stahuje jejich masu.

Co to znamená?

• Na skleněné karafě vidíme, jak voda „leze“ po stěně vzhůru.

• Na kameni nebo betonu se voda rozlévá do stran a mírně stoupá.

• Na tenkém povrchu může vytvořit mikrofilm, který se šíří proti svahu.

Opět nejde o skutečný proud „tekoucí“ nahoru, jde o molekulární kompromis mezi gravitací, soudržností a přilnavostí.

ČTĚTE TAKÉ: Řeky, které tečou pozpátku: když se příroda na chvíli rozhodne ignorovat fyziku
--

Co je na tom nejpodivnější?

Že všechny tři jevy spolupracují. V reálném světě nikdy nevidíme jeden jev izolovaně. Vždy je to směs adheze (materiál přitáhne vodu), kohese (molekuly drží u sebe) a kapilárního výstupu (úzké prostory vytahují vodu vzhůru).

A naše oči interpretují tuto kombinaci jako: „ta voda teče nahoru“.

Ale pravda je jemnější — teče po cestě nejmenší energie. A někdy je ta cesta překvapivě vysoko.

Proč je to důležité?

1) Bez kapilárního jevu by neexistoval suchozemský život
Rostliny by nedokázaly dopravit vodu z kořenů do listů. Žádná fotosyntéza → žádný kyslík → žádné savce → žádné nás.

2) Technologie na tom stojí dodnes

• inkoustové tiskárny,

• lékařské testovací proužky,

• filtrace vody,

• mikrofluidika v biochemii,

• materiálové inženýrství.

3) Ukazuje to, že gravitace není absolutní vládce mikrosvěta
Na makroúrovni vládne gravitace. Na mikroúrovni mají navrch mezimolekulární síly. A to mění intuitivní představu o tom, „jak svět funguje“.

ČTĚTE TAKÉ: Voda, která si pamatuje: fascinující experimenty s molekulární strukturou
--

Co je ještě sporné?

1) Jak vysoko může kapilární vzlínání teoreticky dosáhnout?
Existují materiály s extrémní adhezí, kde teoretické limity nejsou jisté.

2) Jaké jsou rozdíly mezi přírodními a umělými povrchy?
Superhydrofilní povrchy dokážou posunout hranici „stoupání“ tak vysoko, že to připomíná biologický organismus.

3) Mikrofluidika a gravitace
V extrémně úzkých kanálech přestává gravitace hrát roli téměř úplně. To je zásadní pro budoucnost medicíny i nanotechnologií.

Voda nikdy doopravdy neporušuje fyziku

Jen využívá jemnější pravidla, která jsou pro lidské vnímání méně intuitivní než gravitace. A tak vznikají okamžiky, kdy máme pocit, že se příroda na chvíli rozhodla pobavit sama sebe.

Zdroje

• Israelachvili, J. Intermolecular and Surface Forces. Academic Press, 2011.

• De Gennes, P.-G., Brochard-Wyart, F., & Quéré, D. Capillarity and Wetting Phenomena: Drops, Bubbles, Pearls, Waves. Springer, 2004.

• Marmur, A. The Lotus Effect: Superhydrophobicity and Self-Cleaning Surfaces. Langmuir, 2004.

• Xia, Y. et al. Soft Lithography and Microfluidic Systems. Annual Review of Materials Science, 1998.

• Quéré, D. Wetting and Roughness. Annual Review of Materials Research, 2008.