Исаак Ньютон впервые описал конвективное охлаждение — потерю тепла, вызванную движением жидкости, которое отводит тепловую энергию от поверхности, — в начале XVIII века. Аналитическая теория теплоты Жозефа Фурье 1822 года поставила теплопроводность — передачу тепловой энергии посредством прямого физического контакта — на математическую основу. Работы Йозефа Стефана и Людвига Больцмана, а затем Макса Планка сделали тепловое излучение — передачу тепла посредством электромагнитных волн — одним из столпов физики.
Научный подход к выбору зимней куртки: как физики создают материалы, которые защищают вас от холода
Современная зимняя одежда — результат многовековых достижений физики и материаловедения. Часто речь идет о настоящих научных прорывах.
Архивы пресс-службы
Содержание
Старая наука в новом свете
Все эти принципы лежат в основе проектирования материалов. За последние 20 лет инженеры разработали чрезвычайно тонкие синтетические волокна, которые эффективно удерживают тепло, и методы обработки, благодаря которым натуральный пух отталкивает воду, а не впитывает ее. Ученые создали дышащие мембраны с множеством мельчайших пор, позволяющих поту испаряться; тонкие слои, отражающие тепло тела обратно; покрытия, накапливающие и высвобождающие тепло при изменении температуры. Много усилий направлено на то, чтобы сделать все эти новые материалы сверхлегкими.
Все эти инновации дают дизайнерам больший контроль над теплоизоляцией, воздухопроницаемостью и комфортом, чем когда-либо прежде. Поэтому зимние куртки сегодня ощущаются теплее, легче и суше, чем могли себе представить Ньютон или Фурье.
Никаких утечек тепла
Теплопроводность — это прямой поток тепла от тела в более холодное окружение. Зимой это и заставляет нас чувствовать холод. Изоляция борется с теплопроводностью, удерживая воздух в сети крошечных карманов. Она сохраняет его неподвижным и удлиняет путь тепла перед выходом наружу.
Пух высшего качества образует объемные комки, которые создают внутреннюю структуру куртки. В сочетании с современными синтетическими волокнами он удерживает теплый воздух и замедляет его утечку. Новые виды тканей, содержащие высокопористые и сверхлегкие материалы, обеспечивают еще большую теплоизоляцию в удивительно тонких слоях.
Как укротить ветер
Хорошая зимняя куртка должна противостоять ветру, который может сдуть тонкий слой теплого воздуха вокруг вас. Куртка с качественным внешним слоем блокирует это воздействие благодаря плотной ткани. Некоторые куртки имеют покрытие из ламинированной ткани, которое предотвращает проникновение воды и холодного воздуха. Некоторые тканые узоры герметизируют пути утечки тепла вокруг манжет, подола, клапанов и воротника.
Внешний мембранный слой многих курток и водонепроницаем, и воздухопроницаем. Он предотвращает проникновение дождя и снега, но позволяет поту испаряться в виде водяного пара. Эта особенность очень важна, поскольку утеплитель перестает работать, если намокает. Он теряет свою пушистость и перестает удерживать воздух, а значит, вы быстро охлаждаетесь. Эти оболочки также блокируют ветер, защищая созданный телом пузырь из теплого воздуха.
Отражение инфракрасного тепла
Даже в безветренную погоду тело охлаждается, излучая невидимые волны тепловой энергии. Современные куртки решают эту проблему за счет новых тканей и технологий, благодаря которым внутренняя поверхность отражает тепло тела обратно к нему. Такая поверхность обладает едва заметным эффектом космического одеяла и обеспечивает комфорт без увеличения объема.
Однако то, как производители наносят светоотражающий материал, имеет значение. Покрытие металлизированной пленкой будет отражать много тепла, но не позволит поту испаряться, и вы можете перегреться. В некоторых подкладках используется микроточечный рисунок: точки отражают тепло, а промежутки между ними — обеспечивают воздухопроницаемость.
Другой подход переносит эту технологию на внешнюю сторону одежды. В некоторых моделях на нее наносится узор из светоотражающего материала, чтобы предотвратить излучение тепла в холодный воздух. Когда эти рисунки темного цвета, они могут еще и поглощать немного солнечного тепла.
Физика продолжит менять куртки
Управление теплом в одежде — это часть более широкой проблемы теплоотвода в инженерии. Увы, универсальной зимней куртки на все случаи жизни не существует: большинство предметов одежды пассивны, то есть не адаптируются к окружающей среде. Мы одеваемся в соответствии с условиями, с которыми нам предстоит столкнуться.
Инженеры работают над созданием текстиля, адаптирующегося к окружающей среде. Представьте себе ткани, которые открывают микроскопические вентиляционные отверстия по мере повышения влажности, а затем снова закрывают их в сухом, холодном воздухе. Представьте подкладку, которая отражает больше тепла под палящим солнцем и меньше в темноте. Или ткань, которая раздувается на холодной улице и сжимается в тепле помещения.
Все это похоже научную фантастику: одежда, которая чувствует, принимает решения и незаметно перестраивается без вашего участия. Современные куртки не нуждаются в новых законах термодинамики, они уже сочетают основные законы физики с использованием уникальных материалов и термотканей. Однако в будущем эти сочетания будут развиваться, а одежда будет ассоциироваться с научными прорывами.