Плохо лежат волосы? Пора нанести визит физику!
Вьющаяся шевелюра Итана Гринспуна дает ему лишний повод поглазеть на себя в зеркало во имя науки. «Удивительно, насколько сложным образом мои волосы взаимодействуют друг с другом», – отмечает он.
С этим согласится любой, кто по утрам тщетно пытается уложить непослушные кудри. Волосы на нашей голове постоянно трутся друг о друга, создавая статическое электричество. Между ними свободно проходит воздух, они цепляются друг за друга мельчайшими чешуйками и склеиваются из-за секрета, выделяемого сальными железами.
Гринспун – специалист в области теории вычислительных машин из Колумбийского университета в Нью-Йорке, сотрудничает с компаниями Disney и Pixar. Его задача – создавать реалистичную внешность мультипликационных героев и, помимо всего прочего, их волосы. Но он не единственный, кто интересуется столь необычной темой. «У пары моих выпускниц прелестные “конские хвостики”, – говорит Реймонд Гольдштейн из Кембриджского университета, изучающий физику сложных систем. – Я часто ставлю с ними опыты».
С 2008 года Гольдштейн сотрудничает с косметической ветвью компании Unilever, которая жаждет раскрыть секрет прямых и вьющихся волос и получить многомиллионную прибыль. Однако открытия в данной области могут принести выгоду не только производителям шампуня и голливудским художникам-аниматорам.
Человеческие волосы представляют собой не что иное, как цепочки связанных друг с другом белковых молекул. Их адгезивное, фрикционное и электростатическое взаимодействие рассчитать чрезвычайно сложно, в первую очередь из-за их огромного количества. «У вас на голове растет около ста тысяч волос, и каждый из них постоянно касается других тысячи раз», – говорит Андреас Вебер из Боннского университета (Германия), который вот уже десять лет занимается исследованиями в данной области.
При этом мокрые и сухие волосы взаимодействуют по-разному. По мере высыхания или при уменьшении влажности окружающего воздуха каждая прядь подвергается трансформации, приобретая определенный изгиб в зависимости от конкретной структуры белковых цепей. Хороший парикмахер инстинктивно угадывает результат этих изменений. В то же время обратный процесс может привести в полный беспорядок даже самую идеальную укладку – например, если вы вышли на улицу влажным днем.
Шнобель и волосы
Гольдштейн и его коллеги попытались предсказать поведение волос, используя метод математического моделирования под названием «теория функционала плотности», который обычно применяется для расчета взаимодействий электронов внутри твердых тел.
Вначале ученые взялись за вычисление формы «конского хвоста» из собранных в пучок волос. Первым делом исследователи рассчитали воздействие гравитации, а все силы взаимодействия волос представили в виде единого силового поля, линии которого направлены изнутри «конского хвоста» наружу. В результате получилось уравнение, описывающее форму пучка любой длины с учетом таких факторов, как эластичность, плотность и курчавость волос, обозначаемая константой под названием «число Рапунцель» (девушка из сказки братьев Гримм, которая свешивала свои длинные волосы из башни, чтобы по ним можно было залезать, как по лестнице).
Конечно, работу Гольдштейна и его коллег многие воспринимают с иронией. В этом году ученых наградили Шнобелевской премией, которая, как известно, присуждается за открытия, заставляющие людей сперва посмеяться, а потом задуматься. Однако в Unilever к вычислениям физиков отнеслись со всей серьезностью. По словам Патрика Уоррена, сотрудника исследовательского центра компании в Порт-Санлайт (Великобритания), потребители охотно покупают средства, помогающие контролировать объем прически. «Теперь мы знаем, как свойства отдельных волос влияют на пышность “конского хвоста”», – отмечает Уоррен.
Словно живые
В то же время Гринспун, Вебер и их коллеги стремятся познать все секреты волос с другой целью. Именно благодаря их работе безжизненные локоны Лары Крофт из ранней версии игры Tomb Raider в последнее десятилетие приобрели более естественный вид и стали блестеть в лучах света.
Гринспун отточил свое «искусство парикмахера», помогая разработчикам программы Photoshop в создании инструмента Bristle Tips, который представляет собой кисточку, весьма натурально изгибающуюся при рисовании. Профессиональный опыт Итана пригодился и на съемках таких блокбастеров, как «Аватар» и новый римейк «Кинг-Конга». И все же компьютерная графика пока не может идеально воспроизвести внешний вид настоящих локонов, так как многие фундаментальные принципы их поведения до конца не ясны, говорит Гринспун. «Мы должны понять, как действуют физические силы, заставляющие волосы прилегать друг к другу, разлетаться и мотаться из стороны в сторону», – добавляет он. Исследователям приходится проводить весьма сложные вычисления, для того чтобы выяснить, что происходит, например, когда волосы сталкиваются друг с другом.
Если усовершенствование шампуней и цифровой анимации кажется вам не достаточно важной целью для проведения столь серьезной работы, подумайте, как много в мире похожих на волосы вещей, которые могут быть описаны теми же уравнениями. Гринспун и его коллега Педро Райс из Массачусетского технологического института применяют те же физические формулы, чтобы понять, как закручиваются падающие в тарелку спагетти. Дело в том, что аналогичным образом ведут себя кабели связи, опускаемые на дно океана, и расчеты ученых, возможно, помогут найти оптимальный способ их укладки. Райс также сотрудничает с нефтегазовыми компаниями – вычисляет, как изгибаются трубопроводы под собственным весом, а вместе с коллегой из Массачусетского технологического института Романом Стокером изучает движение бактериальных жгутиков, с помощью которых микробы перемещаются в жидких средах. «За всем этим стоит одна и та же механика», – констатирует Райс.
И все же реальная цель исследований кроется, пожалуй, в самих волосах – нельзя не признать, что большинство людей хотели бы иметь роскошную шевелюру. «Если бы каждый житель Земли пожертвовал на исследования 50 центов, собранных средств хватило бы на проведение огромной работы», – отмечает Вебер. К сожалению, бюджет Гольдштейна составляет лишь малую толику от этой суммы, а его собственная лысеющая макушка – не самый лучший объект для изучения. Но ученый не сдается. Разгадав загадку «конского хвоста», он перешел к вопросу о том, почему пряди спутываются, и надеется найти ответ в течение нескольких месяцев.
«Мы поместим волосы в аэродинамическую трубу и посмотрим, что там с ними будет происходить», – говорит Гольдштейн. Вероятно, уйдет немало денег и времени на то, чтобы создать средство, способное защитить вашу прическу от ураганного ветра. Но разве вы этого не достойны?
Источник: New Scientist, ноябрь 2012 г.