Як зимові куртки зберігають тепло: фізика та нові матеріали

Зимові куртки зберігають тепло завдяки трьом класичним способам теплопередачі: теплопровідності, конвекції та випромінювання. При цьому вони залишаються дихаючими, щоб піт міг виходити назовні. Фізики, які вивчають теплопередачу, часто вважають термічну науку усталеною галуззю. Ісаак Ньютон описав конвективне охолодження на початку 18 століття. Жозеф Фур'є у 1822 році створив аналітичну теорію теплопровідності, яка описує передачу теплової енергії через прямий фізичний контакт. Наприкінці 19 століття Йозеф Стефан та Людвіг Больцман, а згодом Макс Планк на початку 20 століття зробили теплове випромінювання основою сучасної фізики.

Ці принципи лягли в основу сучасного дизайну матеріалів. Проте новим сьогодні є не рівняння, а текстиль. За останні два десятиліття інженери розробили надзвичайно тонкі синтетичні волокна, які ефективніше утримують тепло, та обробки, які змушують натуральний пух відштовхувати воду замість того, щоб просочуватися нею. Вони створили дихаючі мембрани з крихітними порами, які дозволяють поту виходити, тонкі відбивні шари, які повертають тепло вашого тіла до вас, покриття, які зберігають та вивільняють тепло при зміні температури, та надлегкі матеріали.

Теплопровідність являє собою прямий потік тепла від теплого тіла до холодного оточення. Взимку вся ця втрата тепла змушує відчувати холод. Ізоляція протидіє теплопровідності, затримуючи повітря в павутині крихітних кишень, сповільнюючи втечу тепла. Високий пух створює об'ємні пухнасті скупчення пір'я, які формують наповнення всередині куртки. У поєднанні з сучасними синтетичними волокнами пух нерухомо утримує тепле повітря та сповільнює його вихід. Нові типи тканин, насичені високопористими надлегкими матеріалами під назвою аерогелі, упаковують ще більше ізоляції в дивовижно тонкі шари.

Хороша зимова куртка також повинна витримувати вітер, який може зірвати тонкий граничний шар теплого повітря, що природно формується навколо тіла. Куртка з якісною зовнішньою оболонкою блокує дію вітру щільно тканою тканиною, яка утримує тепло всередині. Деякі куртки також мають зовнішній шар ламінації, який не пропускає воду та холодне повітря, та тканий візерунок, який герметизує будь-які шляхи, через які тепло може просочитися через манжети, підоли, клапани та комірці.

Зовнішня мембранна оболонка багатьох курток є водонепроникною та дихаючою одночасно. Вона зупиняє дощ та сніг, не пропускаючи їх всередину, а також дозволяє поту виходити у вигляді водяної пари. Ця особливість є ключовою, оскільки ізоляція, така як пух, перестає працювати, якщо намокає. Вона втрачає свою пухнастість та не може затримувати повітря, що означає швидке охолодження.

Навіть у нерухомому повітрі тіло втрачає тепло, випромінюючи невидимі хвилі теплової енергії. Сучасні куртки вирішують цю проблему, використовуючи нові типи тканин та технологій, які змушують внутрішню поверхню куртки відбивати тепло тіла назад. Деякі підкладки використовують мікроточковий візерунок: відбивні точки повертають тепло назад, тоді як проміжки між ними зберігають матеріал дихаючим та дозволяють поту виходити. Інший підхід переносить цю технологію назовні одягу. Деякі конструкції додають візерунок відбивного матеріалу до зовнішньої оболонки, щоб утримати тепло від випромінювання в холодне повітря.

Дослідники працюють над екологічно адаптивним текстилем. Це тканини, які відкривають мікроскопічні вентиляційні отвори при підвищенні вологості, а потім знову закривають їх у сухому холодному повітрі, підкладки, які відбивають більше тепла під яскравим сонцем та менше в темряві, або наповнювач, який роздувається на вулиці в холод та розслаблюється в приміщенні.