К.Ю.Богданов,
школа № 1326, г. Москва
KBogdanov@mtu-net.ru

Слово о яйце

Латинское изречение гласит: «Omne vivum ex ovo» («Всё живое из яйца»). Поэтому яйцо было и остаётся до сих пор основным объектом изучения в биологии. Однако, пользуясь только биологическими методами исследования, иногда бывает трудно ответить на, казалось бы, простые вопросы. Например: почему яйца не ломаются под курицей-наседкой или почему только-что сваренные яйца надо быстро охладить, чтобы их можно было легко очистить от скорлупы? Попробуем ответить на эти вопросы и ещё на несколько других, используя законы физики.

• Какое из двух сталкиваемых одинаковыми частями «пасхальных» яиц должно разбиться: ударяемое (неподвижное) или ударяющее (движущееся равномерно)?

С этой задачи о двух яйцах начинается изумительная книга Я.И.Перельмана «Занимательная механика». Конечно, в соответствии с принципом относительности движения Галилея результат не должен зависеть от того, какое из яиц мы будем считать неподвижным, связав с этим яйцом СВОЮ систему координат. Поэтому, основываясь только на том, какое из яиц движется, а какое неподвижно, невозможно предсказать результат.

• Почему яйца не ломаются под курицей-наседкой?

Хрупкость яиц кажется до того очевидной, что даже вошла в пословицы, например, в мудрый совет «не хранить все яйца в одной корзине». Но, почему тогда курица-наседка массой около 2 кг, сидящая на яйцах почти три недели, никогда не ломает их? Сначала посмотрим, как курица организует кладку яиц. Оказывается, все яйца в мягкой подстилке (соломе) ориентированы острым концом вверх, и ни одно не лежит на боку. Так же вертикально ориентированы яйца в специальных картонных контейнерах, когда мы покупаем их в магазине. Всё это говорит о том, что сломать сырое яйцо, прикладывая силу между тупым и острым его концами, гораздо труднее, чем сжимая его с боков. Те, кто не боится запачкать руки, может убедиться в этом сам.

Окончательно убедиться в крепости яичной скорлупы поможет следующий эксперимент. Возьмём два сырых яйца, в концах аккуратно проделаем дырочки (с помощью иголки или тонкого сверла) и через них выльем содержимое. К боковой поверхности каждого яйца приклеим липкую ленту так, чтобы она шла вдоль его «экватора», разделяющего яйцо на два «полушария» – с тупым и острым концами. Липкая лента нужна для того, чтобы «полушария» не треснули, когда мы будем отделять их одно от другого. Потом надо взять что-нибудь очень острое (скальпель, нож или ножницы) и разрезать пару пустых яиц по средней линии липкой ленты. Итак, мы получили четыре пустых яичных «полушария». Положим их на ровную поверхность стола полюсами вверх (обрезанными краями вниз) так, чтобы они образовали квадрат со стороной 15 см. А теперь аккуратно положим на них книгу, потом ещё одну и ещё... Оказывается, яичные опоры не так хрупки, как казалось раньше, и уж, конечно, могут выдержать вес большой курицы. Почему?

Объяснить, почему яйцо тяжело сломать, прикладывая силу к концам, помогает закон Лапласа, описывающий, как зависит напряжение T в искривлённой части скорлупы от внешнего давления P и радиуса кривизны её поверхности R:

T=PR – для цилиндрической поверхности;

T=PR/2 – для сферической поверхности.

В середине яйца, где поверхность близка к цилиндрической, внешнее давление вызывает напряжение скорлупы по крайней мере в два раза большее, чем в том случае, когда такое же давление действует на «сферические» концы яйца. Кроме того, из закона Лапласа следует, что острый конец яйца, имеющий меньший радиус кривизны, гораздо более прочен, чем тупой. Поэтому на пасхальных «яичных турнирах» противника надо бить острым концом, предварительно убедив его защищаться тупым. Закон Лапласа объясняет, почему крыши многих величественных зданий имеют форму «яичных» полушарий. Сферические купола позволяют в два раза увеличить запас прочности конструкций по сравнению с цилиндрическими той же толщины.

• Как отличить варёное яйцо от сырого?

Представим себе, что мы положили варёное яйцо в холодильник среди сырых, а потом забыли его положение в контейнере. Самый простой способ определить, какое из яиц варёное, – положить его на стол, раскрутить и отпустить, следя за тем, сколько оборотов оно совершит до полной остановки. Сырое яйцо никогда не совершит больше двух оборотов, а вот варёное может совершить даже и десять.

Происходит это из-за того, что, вращая сырое яйцо, вы, вообще говоря, вращаете только его скорлупу и ближайший к ней слой жидкости внутри яйца. Силы вязкого трения жидкого содержимого оставляют практически неподвижным центральную часть яйца при вращении его скорлупы. А потом, когда мы перестаём вручную закручивать яйцо, оставляя на столе, те же силы вязкого трения сразу начинают тормозить вращение наружных частей жидкости и скорлупы по отношению к центральным. В результате под действием сил вязкого трения и трения скольжения между яйцом и столом яйцо останавливается, сделав не более двух оборотов. В варёном же яйце под скорлупой находится твёрдый гель, и когда мы отпускаем закрученное варёное яйцо, оно движется целиком, а тормозят его вращение только силы трения скольжения о стол. Поэтому и вращается варёное яйцо дольше сырого.

• Как отличить тухлое яйцо от свежего?

Масса среднего свежего яйца – 58 г, а его объём – 53 см³. Поэтому плотность свежего яйца – 1090 кг/м³. Таким образом, свежее яйцо должно быстро тонуть в чистой воде. Если сделать трещину в скорлупе и оставить его в тепле, то яйцо скоро протухнет. Процессы гниения, которые мы запустили, приводят к накоплению в яйце различных газов, а это – к уменьшению плотности тухлого яйца. В результате тухлые яйца либо очень медленно опускаются на дно стакана с водой, либо вообще всплывают. В некоторых странах Ближнего Востока, где хозяйкам тяжело достать простейшие измерительные приборы (меры массы и объёма), способность свежих яиц опускаться на дно в сосуде, наполненном водой, используется для создания «стандартного» рассола для консервации свежих овощей. Хозяйки опускают в кастрюлю с водой свежее яйцо и добавляют в неё соль до тех пор, пока яйцо не начнёт всплывать (около 14 г на 100 мл раствора). Эту концентрацию рассола ближневосточные хозяйки и выбрали в качестве стандартной.

• Как устроена скорлупа и как легче очистить варёное яйцо?

Толщина скорлупы – около 0,3 мм, а её средняя площадь – 70 см². Скорлупа сделана из карбоната кальция (CaCO₃), одного из самых распространённых минералов земной коры. Мел, которым мы пишем на доске, тоже карбонат кальция. Скорлупа яйца содержит около 10 000 микроскопических пор, необходимых для того, чтобы развивающийся в яйце зародыш мог дышать. Через них яйцо обменивается газами с окружающим воздухом – кислород входит в яйцо, а углекислый газ выходит. Эти поры можно легко увидеть на поверхности скорлупы через увеличительное стекло. Ну а если вы понаблюдаете за поверхностью яйца, опущенного в воду, то увидите, что при нагревании воды задолго до кипения во многих местах на скорлупе появляются пузырьки газа, которые, увеличиваясь в объёме, отрываются от яйца и поднимаются. Это через поры выходит из яйца воздух, расширяющийся при нагревании.

Все хозяйки знают, что для того, чтобы варёное яйцо легко очистилось, надо сразу после варки положить его в холодную воду. Действительно, это так! Благоприятный эффект охлаждения можно объяснить следующим образом. При резком охлаждении происходит сжатие содержимого яйца и его скорлупы. Однако вещества, из которых «сделаны» эти составляющие, характеризуются различными коэффициентами объёмного расширения k. У карбоната кальция (скорлупа) = 2,7 . 10^–5 К^–1, а у затвердевшего геля альбумина (белка) эта величина всегда в несколько раз больше, чем у чистой воды, которая в диапазоне температур между 20 и 60 °С составляет = 4 . 10^–4 К^–1. Несложные подсчёты показывают, что при охлаждении только что сваренного яйца (+100 °С) холодной водой из-под крана (+20 °С), внутренний объём, ограниченный скорлупой, уменьшится на 0,1 см³. То же охлаждение приведёт к уменьшению объёма белка по крайней мере на 1,7 см³. Таким образом, белку придётся ужаться в объёме гораздо больше, чем скорлупе. Поэтому белок, окружённый оболочкой (мембраной), сжимаясь, оторвёт оболочку от внутренней поверхности скорлупы. После этого очистка скорлупы уже не проблема.

• Как аккуратно очистить от скорлупы сырое яйцо?

Делая яичницу, мы разбиваем скорлупу ударом ножа и выливаем содержимое в сковороду. Ну а если мы хотим изучить, как оно устроено внутри? Тогда можно попытаться растворить яйцо, например, в уксусе. Через 24 ч от скорлупы ничего не останется, а всё время, пока она будет растворяться, мы будем наблюдать выделение пузырьков углекислого газа. Точно такая же участь ждёт и кусочек мела в растворе уксуса.

• Кусок жёлтого мыла в середине яйца

Значительная часть желтка – это лецитин. Молекула лецитина «двуличная»: один её конец полярный (несёт электрический заряд), а другой – нейтральный. «Двуличность» лецитина позволяет ему одновременно связываться с молекулой воды (полярным концом) и молекулой жира или масла (нейтральным концом). В результате кусочки масла в воде отделяются от неё слоем молекул лецитина и образуется стабильная эмульсия. В отсутствие лецитина частички масла начинают объединяться друг с другом, наконец масло и вода расслаиваются – слой масла плавает над слоем воды. Поэтому такие вещества, как лецитин, называют эмульгаторами. Если молекулы лецитина оказываются на поверхности воды, то они могут в несколько раз уменьшить её поверхностное натяжение. Короче, молекулы лецитина очень схожи по своим свойствам с молекулами мыла и шампуней (додецилсульфата натрия). А значит, желтком (конечно, свежим) можно вымыть голову, о чём наше старшее поколение ещё, конечно, помнит. Но если желток в шампунях можно ещё заменить на додецилсульфат натрия, то при производстве различных пищевых эмульсий, например майонеза (смесь воды, растительного масла и уксуса), желток до сих пор остаётся незаменимым.

Те из читателей, которые в этой короткой заметке не нашли ответов на свои «яичные» вопросы, приглашаются на выставку «Всё живое из яйца» в Государственный Дарвиновский музей (г. Москва, 134-6124, 135-3382), где до 21 мая можно ознакомиться с многообразием форм окрасок и размеров яиц, созданных природой и человеком.