Гегузин Яков Евсеевич

Капля

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

Научно-популярная серия

Я. Е. ГЕГУЗИН

КАПЛЯ

Посвящаю памяти матери

Розалии Моисеевны Гегузиной

ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ

Первая капля

Когда я задумал написать эту книгу и структура ее была еще неясна, мне советовали каждый из очерков называть так: «Капля первая», «Капля вторая» и т. д. Мысль мне показалась тенденциозной, и совету я не внял. А вот первый очерк — даже не очерк, а несколько вводных фраз — решил все же назвать «Первая капля».

Жизнь развивается так, что искусство в несравненно меньшей степени, чем наука, со временем оснащается внушающим почтение «новейшим оборудованием» — умными и сложными машинами с разноцветными кнопками и мигающими лампочками на пульте. Скрипка и кисть сохранились в руках мастера, устояли против натиска множества электронных музыкальных приборов и цветной фотопленки. Творчество в литературе и искусстве осталось привилегией человека, его личной одаренности, одержимости, способности удивляться. А в науке происходит нечто иное: лупа и примитивный электроскоп естествоиспытателя уступили место огромным электронным микроскопам и сложнейшим электрическим машинам. Сложным оборудованием управляет коллектив научных работников со штатом лаборантов, механиков и инженеров.

Чисто внешнее и совершенно оправданное изменение облика науки иногда представляется признаками ее перерождения — превращением науки в нечто обезличенное и механизированное, оторвавшееся от образного, поэтического мировосприятия человека. К счастью, в действительности дело обстоит совершенно не так. Как и всегда, своими всплесками наука обязана озарениям тех естествоиспытателей, которые, подобно поэтам ихудожникам, одарены талантом видеть. Как всегда, наука и ныне остается сродни искусству и никакого разделительного вала между ними нет.

Составляя очерки о капле, я не расставался с мыслью о родственности науки и искусства. И если — пусть не прямо, а между строк — читатель эту мысль прочтет и в его глазах она «обретет плоть», я буду считать, что труд мой не пропал даром.

Слово о кинокамере

В работе над «Каплей» моим верным помощником была кинокамера, и она несомненно заслуживает благодарственного слова.

Глаз человека — великолепный оптический прибор. Он тонко различает цвета, мгновенно настраивается «на резкость» при разглядывании объектов на различных расстояниях, чувствует слабые полутени и резкие контуры. И все же глаз нуждается в помощниках, расширяющих его возможности. Нужны и телескоп, и микроскоп, и множество различных луп. Они помогают соотнести истинные размеры объекта с разрешающей способностью глаза: приблизить удаленное, увеличить мелкое, оттенить расплывчатое.

В последние десятилетия в ряду помощников глаза появилась кинокамера. Кто-то о ней сказал «лупа времени». Это определение верное, так как камере под силу «растягивать» и «сжимать» отрезки времени. Мощь кинокамеры неизмеримо возрастает, если ею пользоваться, укрепив на тубусе микроскопа.

В нашей лаборатории есть различные кинокамеры — маленькие и большие, скоростные, которые успевают заснять тысячи кадров в секунду, и «обычные», которые, работая, не изменяют масштаба времени. Есть и такие, которые снимают покадрово, т. е. так, что между съемками двух последовательных кадров проходит время, заданное камере. Все они «помогали» мне разглядеть каплю — в полете, рождающуюся на кончике сосульки, пульсирующую, подобно сердцу, скользящую по оконному стеклу. Без кинокамер многое бы глаз не увидел и капля в «Капле» выглядела бы обедненной.

Сталагмология

Однажды я участвовал в субботней телевизионной передаче «Голубой огонек». По замыслу ее организаторов, мне была отведена роль посетителя кафе, которому надлежит сидеть за столиком, пить кофе и аплодировать выступающим. По ходу передачи ведущий должен был обратиться ко мне с каким-то вопросом о дожде, а мне, как бы экспромтом, следовало рассказать о падении дождевой капли на поверхность воды и показать телезрителям полутораминутный кинофильм об этом. Фильм тоже должен был появиться экспромтом. Видимо, стремясь вдохновить участников «Голубого огонька», режиссер передачи напомнил, что из объектива телекамеры на нас глядят миллионы. Добился он этим напоминанием противоположного результата. Под тяжестью ответственности посетители кафе немного оробели, и каждый свой «экспромт» излагал скованно. Мою задачу немного облегчил фильм, который я комментировал, оставаясь за экраном.

Вскоре после передачи стали приходить письма телезрителей. Писем было много, и каждое по-своему интересно и неожиданно.

Автор одного из писем сообщал, что он пишет книгу, которая посвящена изложению науки о каплях. Называться книга будет «Сталагмология», что в переводе на русский язык означает «каплеведение». Автор письма с похвалой отзывался о моем фильме и просил прислать ему несколько кинограмм, которые он хотел бы поместить в качестве иллюстрации в соответствующей главе «Сталагмологии».

Письмо меня заинтересовало, и мне захотелось познакомиться с человеком, которому надлежит стать основателем новой науки,— до письма я не подозревал о существовании «каплеведения». Я попросил автора письма меня принять и поехал к нему.

Меня встретил немолодой человек, некогда занимавшийся научной деятельностью в области биологии. Он рассказал о том, что образ капли его привлекает еще с юности, что в его картотеке числится множество статей, которые прямо или косвенно посвящены капле, и что его память хранит много наблюдений над каплями. Он рассказал и о том, что некогда ему довелось, вернее, посчастливилось сделать важную научную работу, в которой объектом исследования была капля. Я ему тоже рассказал кое-что о каплях, чего, он, нефизик, не знал.

Начался разговор о сталагмологии. Я говорил о том, что не совсем понимаю правомерность такой науки. Да, действительно, о каплях известно много, и вещество в «капельной» форме изучали представители многих наук. Да, действительно, о каплях можно рассказать уйму интересного, и капля, пожалуй, один из самых совершенных образов, созданных природой. И все же все это в совокупности не составляет науки, основанной на прочном фундаменте аксиом и основных законов, без которых наука немыслима. Мой собеседник многие годы лелеял мысль о сталагмологии, и ему было очень трудно согласиться с моими рассуждениями. Он не возражал, а просто не соглашался.

Итак, по-моему, сталагмология — не наука, нет такой науки. Отдельные свойства капель, процессы, связанные с ними, к наукам имеют прямое отношение, но в совокупности самостоятельной науки не составляют. Во время того трудного разговора со старым ученым я вспомнил слова физика Феймана, одну из тех фраз, которые неожиданными блестками вкраплены в самые трудные страницы «феймановских» лекций по физике. Он пишет: «Не все то, что не наука, уж обязательно плохо. Любовь, например, тоже не наука. Словом, когда какую-то вещь называют не наукой, это не значит, что с ней неладно: просто не наука она и все».

Предлагаемая книжка очерков о каплях не «сталагмология» и не «предтеча» науки с таким звучным названием. В ней собраны рассказы о физических законах, управляющих поведением капли, о ее красоте и о людях, которым образ капли подсказал решение сложных и важных задач из различных областей науки.

Капля — это кусочек мира, в котором мы живем и который мы стремимся узнать. Капля — быть может, дождевая — подсказала ученым идею модели атомного ядра и один из лучших способов наблюдения за движением элементарных частиц материи. Капля, летящая в дождевом потоке и падающая на речную гладь, или росинкой сидящая на паутине, или набухающая на кончике сосульки во время весенней капели,— это очень красиво и поэтично, и не случайно многие поэты и художники восторгались каплей. Я считаю, что творчество поэтов и ученых питается из одного источника — умения смотреть, видеть и удивляться. И кто знает, сколько еще будет увидено и понято благодаря капле?

Недавно встретилась мне великолепная книга о спелеологах — людях, изучающих пещеры, подземные каналы и коридоры, размытые миллиардами капель. Ее авторы, исходившие сотни подземных троп и тропок, назвали книгу «Вслед за каплей воды»...

А вот что написано о капле в «Толковом словаре» Даля. Слова «капля» нет, есть «капать», а «капля» — в качестве одного из множества производных слов. Они в словаре занимают места больше, чем находящиеся поблизости «капелла», «капитан», «капкан», «капрал» и «каприз», вместе взятые. «Капля» обросла множеством сентенций. Кто-то глубокомысленно заметил, что «океан начинается с капли», а кто-то — что «капля воды обладает всеми свойствами воды, но бури в ней заметить нельзя».

Много лет мечтал я написать книжку очерков о капле. Снимал кинофильмы, запоминал встречавшиеся стихи, в которых были строки о капле, сохранял короткие записи об историях, связанных с каплей. Готовился к книге, но не писал, что-то сковывало меня. И вот недавно встретилась мысль, которая придала мне решимость. Мысль о том, что писать книгу надо хотя бы для того, чтобы освободиться от иллюзии, что можешь написать ее.

Итак, книжка очерков о капле. Не «Сталагмологии», а книжка очерков.

КАПЛЯ В НЕВЕСОМОСТИ

В условиях невесомости все выглядит так же, как и в условиях весомости, за исключением отсутствия веса, в связи с чем в условиях невесомости все выглядит не так, как в условиях весомости.

Ответ на экзамене по физике

Опыт Плато

Жозеф Антуан Фердинанд Плато, профессор Гентского университета по кафедре физики и анатомии, в течение жизни занимался множеством различных проблем, которые, судя по всему, считал значительно более важными, чем поставленный им опыт с невесомой каплей. Но история рассудила иначе и прочно соединила его имя именно с этим опытом. Опыт широко известный, классический, демонстрируемый почти во всех лекционных курсах по физике. В прозрачный сосуд наливается водный раствор спирта, и затем туда с помощью пипетки вводится капля масла. Концентрацию раствора можно сделать такой, чтобы плотность раствора и масла была одинаковой. В этом случае капля масла, не растворяющаяся в спиртовом растворе, вне зависимости от ее объема, приобретет форму сферы и повиснет в растворе. Аналогичный опыт можно поставить, воспользовавшись соленой водой и кусочком жидкой эпоксидной смолы или анилина,— результат будет тот же.

Сферическая форма капли в опыте Плато объясняется тем, что вследствие равенства плотности вещества капли и среды капля оказывается в невесомости, и поэтому ее форма определяется только стремлением к уменьшению поверхностной энергии на границе капля — среда.

В последние годы в связи с развитием космонавтики возрос интерес к поведению жидкости в невесомости. Возникло научное понятие «гидродинамика невесомости». Плато, пожалуй, следует считать пионером этой науки. Он первый, оставаясь приверженным Земле, поставил жидкость в условия невесомости, «отключив» тяготение для одной капли.

Истинная форма капли определяется суммой всех сил, которые на нее действуют, и поэтому задачи о форме капли в обычных условиях, как правило, очень сложны. Если капля лежит на твердой поверхности, то надо учесть и действие силы тяжести, которое будет каплю расплющивать, и действие собственного поверхностного натяжения, которое будет каплю сжимать, и действие поверхностного натяжения на границе капля — твердая поверхность, которое тоже в какой-то степени деформирует каплю. В опыте Плато действует только одна из перечисленных сил — сила, обусловленная собственным поверхностным натяжением, и капля принимает форму сферы, т. е. форму, которая при данном объеме отличается минимальной поверхностью.

Капли анилина, взвешенные в воде, имеют сферическую форму вне зависимости от их размера

Последнее утверждение обычно повторяют как само собой разумеющееся. Между тем стоило бы убедиться в том, что шар действительно обладает минимальной поверхностью. Это можно сделать с помощью рассуждений, некогда предложенных немецким геометром Штайнером.

Воспроизведем его рассуждения в виде двухэтапной последовательности.

Этап первый. Фигура, поверхность которой минимальна при данном объеме, не может иметь вогнутые участки, так как превращение этих участков в плоские приводит к уменьшению поверхности, которое сопровождается увеличением объема.

Этап второй. Пересечем двусторонним зеркалом выпуклую пространственную фигуру так, чтобы поверхности слева и справа от зеркала были равны. Отразим в зеркале ту часть фигуры, объем которой оказался большим. При этом возникает симметричная фигура. Ее поверхность равна начальной, а объем увеличен. Таким образом, вследствие зеркального отражения мы «улучшили» фигуру, сделали ее более совершенной в том смысле, что увеличили ее объем, сохранив поверхность. Единственная фигура, которую последовательностью зеркальных отображений невозможно «улучшить», т. е. объем которой будет максимальным при данной поверхности или поверхность минимальной при данном объеме, будет сфера. Это именно то, в чем мы и хотели убедиться.

«Маленькие» водяные капли на ворсистой поверхности листа чувствуют себя почти в невесомости

Результат опыта Плато не зависит от размера капли. Любая капля в невесомости будет сферической. Легко, однако, убедиться — и с помощью расчета, и с помощью опыта,— что форма капли может оказаться близкой к сферической и в том случае, если она не находится в невесомости. Для этого капля должна быть настолько мала, чтобы ее вес не мог заметно исказить сферическую форму, которую ей стремится придать поверхностное натяжение. Попытаемся определить, какую каплю в этом смысле следует считать «маленькой». Для этого надо сравнить два давления: то, которое придает капле форму сферы, и то, которое ее расплющивает. В случае «маленькой» капли второе давление должно быть значительно меньше первого.

Первое давление — оно называется капиллярным, или лапласовским, — определяется хорошо известной формулой:

а R — радиус капли. Это давление, возрастая с уменьшением размера капли, в случае очень маленьких капель может быть огромным. Учтя, что поверхностное натяжение воды α = 70 дин/см, легко убедиться, что микроскопическая водяная капелька, радиус которой одна сотая микрона (R  = 10 -6 см), сжата лапласовским давлением, величина которого около 150 атмосфер!

Теперь о давлении, которое расплющивает лежащую каплю. Назовем его гравитационным Pg. Величину этого давления, равного отношению силы тяжести капли, масса которой т, к площади контакта между каплей и твердой поверхностью, точно определить трудно, потому что неизвестна величина этой площади. Его можно оценить, посчитав, что площадь контакта приблизительно равна квадрату радиуса капли.

В этом предположении

Все рассуждения о почти сферической форме «маленькой» капли могут совершенно потерять смысл, если силы поверхностного натяжения на границе капля — твердая поверхность растянут каплю, заставят ее растечься тонким слоем. Однако во многих случаях, когда капля не смачивает подложку, наши рассуждения остаются в силе. Именно такие случаи мы и обсуждали.

«Маленькие» капли совершенной формы можно наблюдать после дождя на листьях многих деревьев. Не смачивая лист, капли располагаются на нем сверкающими шариками. Особенно хороши они натыльной, ворсистой стороне. Капли висят как бы в воздухе, поддерживаемые ворсинками. Прекрасные «маленькие» капли можно увидеть после дождя на кончиках игл кактуса или ели.

Вернемся к опыту Плато, к капле, находящейся в невесомости. Советский космонавт В. Н. Кубасов наблюдал жидкие капли в условиях невесомости. Он производил опыты по электросварке плавящимся электродом в космосе. Процесс сварки был запечатлен на кинопленке. Оказалось, что на кончике электрода формируется большая, почти сферическая капля жидкого металла, существенно больше той, которая образуется при сварке в земных условиях. Капли жидкого металла, случайно оторвавшиеся от электрода, свободно парят около места сварки, подобно тому как движутся капли в опыте Плато, если их слегка толкнуть.

Творческая фантазия Плато более 100 лет назад родила идею наземного опыта с каплей в искусственно созданной невесомости. Быть может, он тогда думал и о космосе?

Воспоминание о лекции профессора Френкеля

Начну с банальной мысли о том, что впечатления юности запоминаются надолго — в звуках, в цвете, в незначащих деталях, которые тогда, в давно прошедшие годы, казались особенно важными.

Лекцию Якова Ильича Френкеля я слушал поздней весной 1939 года. Он тогда приезжал в Харьков и в маленькой университетской аудитории амфитеатром, которая еще с середины прошлого века торжественно называлась «большой физической», читал лекцию о капельной модели ядра. Теперь, спустя более трети века, когда во всех подробностях известны драматические события тех дней, когда закладывались основы ядерной энергетики, ясно, что с профессором Френкелем, который всего за несколько недель до приезда в Харьков предложил идею капельной модели ядра, в аудиторию вошла сама история. Тогда же мы, студенты-физики, шли слушать очередную лекцию «гостевого» профессора, одну из многочисленных лекций, которые в «большой физической» часто читали нам университетские гости.

Начал лекцию Френкель спокойно, размеренно, но постепенно академическая размеренность исчезла: он говорил так, как можно говорить лишь о самом сокровенном, о чем непрерывно думаешь и кажется, что открывшееся тебе прозрение и ясность абсолютно необходимо передать слушателям. Именно на этой лекции я понял смысл выражения «слушать затаив дыхание». Затаив, возможно, для того, чтобы не было лишних звуков, а возможно, чтобы не отвлекаться для дыхания.

Формул профессор почти не писал. Нарисовав мелом на доске водопроводный кран с набухающей каплей на конце, он начал рассказывать об аналогии между каплей воды и каплей ядерной жидкости — атомным ядром. До достижения некоторого размера капля на кончике крана устойчива, по крану можно щелкнуть, и капля не оборвется (он щелкнул по нарисованному крану). Когда же, набухая, капля достигнет определенного размера, она сама оборвется. И неожиданно заключил: периодическая система потому и оканчивается на уране, что тяжелая капля ядерной жидкости — ядро урана — велика и находится на пределе устойчивости, подобно той капле воды на кончике крана, которая вот-вот оторвется от него. Когда после этого как само собой разумеющееся он предсказал возможность спонтанного деления ядра урана, возникло ощущение провидения.

Теперь, когда мне на лекциях приходится рассказывать студентам о ядре, я ловлю себя на том, что невольно пытаюсь повторять фразы и рисовать картинки, которые отпечатались у меня в памяти после той далекой предвоенной лекции, слышанной в юности.

Термин «деление» применительно к ядру впервые использовала Лиза Майтнер — выдающийся немецкий физик. Она, однако, имела в виду аналогию не с каплей, а с амебой. Аналогия со сферической каплей, которая не деформируется тяжестью, оказалась значительно более глубокой и содержательной.

Естественно возникает вопрос, где основания для аналогии? Ведь недостаточно представить себе, что, подобно жидкой капле, ядро имеет форму шарика. Видимо, Френкель усмотрел в строении ядра более глубокие основания, чтобы уподобить его жидкой капле.

Поиски аналогий — потребность многих умов, пробивающихся сквозь сплетения идей и фактов, сквозь заросли отрывочных наблюдений. Удача в этих поисках, как известно, зависит не только и, быть может, не столько от эрудиции и способности мыслить формально строго — она зависит от умения из множества жизненных наблюдений, из хранящихся в тайниках мозга некогда подмеченных штрихов явлений и событий в нужный момент извлечь именно те, которые наиболее полно походят на осмысливаемое явление или образ. Это совершенно естественная попытка мозга — среди известного, понятного, ставшего «своим» отыскать нечто такое, чему незнаемое уподобится, а уподобившись, потеряет загадочность и тоже станет «своим».

Иной сочтет поверхностное сходство достаточным основанием для аналогии — такому путь к откровениям заказан. Поверхностная аналогия не ведет к знаниям, а хитро уводит от них. Какая же аналогия окажется глубокой? Как и чем измеряется ее глубина? Чем руководствоваться, чтобы не принять внешнее сходство за истинную аналогию? У одного из восточных народов в ходу мудрость: «С нетерпением ожидая возвращения дорогого друга из военного похода, не ошибись, не прими стук своего сердца за топот копыт его коня». Как же не ошибиться? А ведь очень часто интуиция — именно ей и принадлежит основная инициатива отбора в кладовых памяти всего подходящего к случаю — вместо истинной и глубокой аналогии предлагает нам, образно выражаясь, троянского коня. В словаре русского языка в качестве синонима слова «интуиция» называется слово «чутье». Так вот «чутьем» профессор Френкель был богато одарен. Он был богачом.

Об аналогии между атомным ядром и каплей жидкости, вернее, о том, в чем он усматривает основания для аналогии, Френкель говорил так просто и естественно, будто она не была угадана его чутьем, а заведомо очевидна любому студенту. Говорил доверительно, не низводя слушателя до положения школяра, которого известный ученый одаривает крупицами своих необозримых знаний, вынуждая себя при этом опуститься до школярского уровня. Он очень умело создавал иллюзию разговора «на равных» со слушателем, который чувствует себя вправе перебить лектора, усомниться в его правоте, выразить одобрение.

Силы притяжения, говорил он, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре, велики и могут противостоять силам электрического отталкивания, действующим между протонами в ядре. И это несмотря на то, что расстояния между протонами ничтожно малы — около 10-13— 10-12 см. Сравнив энергии различных ядер и их геометрические размеры, можно убедиться, что силы, удерживающие нейтроны и протоны в ядре, в одном существенном отношении сходны с обычными силами межмолекулярного взаимодействия в жидкостях, а именно в том, что эти силы «короткодействующие». Они обладают значительной величиной лишь на расстояниях, сравнимых с размерами частиц— протонов и нейтронов в ядре и молекул в обычной жидкости. Различия между ядерными силами и силами взаимодействия между молекулами в жидкости заключаются в том, что радиус действия у первых в сто тысяч раз меньше, чем у вторых, а энергия связи — в миллион раз меньше. Различие, разумеется, огромное, но только количественное, а не качественное, и аналогии оно не помеха.

Френкель обратил внимание на то, что объемы различных ядер оказываются пропорциональными их массе, т. е. атомному весу соответствующих элементов. А это означает, что ядерное вещество, как и обычная жидкость, имеет постоянную плотность, которая от размеров ядра не зависит. Вот теперь есть основания говорить о ядерной жидкости, о ядре — капле. Плотность этой жидкости, говорил лектор, можно вычислить, и она оказывается в биллионы раз больше плотности обычных жидкостей, поверхностное натяжение — в 10^18 раз больше поверхностного натяжения воды.

Не многим дано увидеть черты сходства между веществами, характеристики которых различаются в такое число раз, а профессор Френкель увидел, и его интуиция не отступила перед числом с восемнадцатью нулями.

Аналогия — это значит не тождество, а аналогия, и где-то ей положен предел. И ядерная жидкость не тождественна обычной. Ядра, капли ядерной жидкости, в отличие от капель жидкости обыкновенной, имеют электри ческий заряд, связанный с входящими в их состав протонами. Вот это уже отличие принципиальное, а не количественное, и оно определяет одно своеобразное свойство ядер- капель, которым не обладают обычные капли, дождинки или росинки. Именно это отличие и кладет предел аналогии.

Представим себе в невесомости две капли: одну из обычной жидкости, вторую — из ядерной. Невесомость нам нужна только для того, чтобы силы тяжести не искажали их форму. Будем мысленно увеличивать объем этих капель. С первой из них, «обычной», это можно делать без всяких ограничений — ее форма будет оставаться сферической. Жидкость в капле будет подвержена лишь давлению всестороннего сжатия, которое обусловлено кривизной ее поверхности. А вот со второй каплей, ядерной, дело обстоит сложнее. Ее вещество электрически заряжено. Это значит, что полусферы, на которые капля может быть условно разделена, взаимно отталкиваются, подчиняясь закону Кулона, согласно которому силы отталкивания прямо пропорциональны произведению взаимодействующих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними. Так как величина заряда каждой из ядерных полусфер пропорциональна их объему, т. е. кубу радиуса, а расстояние между ними — радиусу, то, очевидно, с увеличением объема капли силы отталкивания, которые пытаются исказить сферическую форму капли и в конечном счете разорвать ее, будут расти. Препятствует этому лапласовское давление, которое стремится придать капле сферическую форму. Это давление, однако, с увеличением капли убывает. Сколь бы малым оно ни было, в условиях невесомости его всегда будет достаточно для того, чтобы капля обычной жидкости оставалась сферической, а в случае заряженной капли с лапласовским давлением вступает в борьбу иное давление, электростатическое, искажающее сферическую форму капли. Итак, два давления. Одно с увеличением размера капли падает, а другое растет. И, следовательно, это другое в конце концов окажется победителем: под его влиянием капля деформируется и разорвется на две разлетающиеся маленькие капли.

Профессор Френкель об этом говорил так. Деление ядра капли на две дочерние капли осуществляется не сразу, а путем постепенного вытягивания, при котором оно сначала превращается в вытянутый эллипсоид, затем центральное сечение этого эллипсоида сужается, образуя шейку. Шейка постепенно утоньшается, пока, наконец, не разорвется, после чего процесс деления может считаться законченным. Разумеется, и вытягивание и последующий разрыв происходят в режиме колебаний ядра-капли, во время одного из периодов этих колебаний, когда изменение формы капли оказалось наиболее значительным.

На доске появились элементарные формулы — Френкель «оценивал» атомный вес того элемента, ядро которого должно потерять устойчивость и разделиться на два дочерних. Атомный вес такого элемента оказался близким 100. Оценка озадачивающая, так как если она верна, то все элементы, атомный вес которых больше 100, должны были бы потерять право на существование, а в периодической системе элементов фигурируют более тяжелые элементы, вплоть до урана, атомный вес которого 238. Что- то, видимо, в оценке не учтено. Что же? Френкель уже говорил о том, что, превращаясь в две сферические дочерние капли-ядра, материнское ядро должно постепенно вытягиваться. Это значит, что поверхность, а с ней и поверхностная энергия должны увеличиваться. Следовательно, на пути к процессу деления природой поставлен барьер, который необходимо преодолеть. Величину этого барьера можно вычислить, и во время лекции профессор это сделал. Он показал, что по мере увеличения радиуса материнского ядра-капли этот барьер постепенно снижается и становится практически равным нулю для ядра урана. Вот почему все, что можно примыслить себе за ураном, не должно быть долго жизнеспособным, а менделеевская таблица «стабильных» элементов должна оканчиваться именно ураном.

Вернемся к водопроводному крану. Капелька, формирующаяся на его конце, подвержена действию силы тяжести, которая деформирует каплю. Действие ее подобно действию электростатических сил отталкивания между двумя половинками заряженного ядра. Таким образом, если усматривать аналогию между развалом ядра и отрывом капли от кончика водопроводного крана, надо примыслить себе, что в кране остается капелька, подобная той, которая от него оторвалась.

После лекции профессора Френкеля прошло более тридцати лет. Капельная модель ядра уточнена, улучшена, а глубокая аналогия, навеянная видом капли на кончике крана или, быть может, дождевой каплей, в науке осталась прочно. Эта аналогия помогла решить задачи общечеловеческой значимости.

Образ капли близок творчеству Френкеля, к каплям он обращался много раз в разные годы и по разным поводам.

О подпрыгнувшей капле

Вначале совсем очевидное утверждение: если в силу каких- либо обстоятельств капля приобрела несферическую форму, это означает, что ее поверхность увеличилась по сравнению с поверхностью сферы и, следовательно, увеличилась и ее поверхностная энергия. Или: если в силу каких-либо обстоятельств несферическая капля вдруг приобретает сферическую форму, вследствие уменьшения поверхности должна выделиться избыточная энергия.

Допустим, что нам удалось осуществить преобразование формы капли от несферической к сферической, удалось предоставить возможность избыточной поверхностной энергии освободиться, выделиться. Кстати, эта энергия может оказаться совсем немалой. Ее очень легко вычислить, если задаться объемом капли и ее начальной формой. Вот пример, который дальше нам пригодится. Крупная капля ртути весом 20 г на стеклянной пластинке имеет форму лепешки, близкую к форме цилиндра, радиус которого 1,2 см, а высота 0,35 см. Если эта капля превратится в сферу, то при этом освобождается энергия W= 1060 эрг.

Куда же эта энергия денется, на что она способна, что может произойти после того, как капле эта энергия в качестве поверхностной станет не нужна? Какие процессы могут сыграть роль «стоков» выделившейся энергии? Очевидно, некоторая часть энергии должна будет израсходоваться на то, чтобы осуществить перемещение вещества капли, в результате которого капля станет сферической. Дело в том, что жидкость, из которой капля состоит, обладает некоторой вязкостью, и поэтому всякое изменение формы капли связано с необходимостью преодолеть сопротивление вязкой жидкости ее деформированию, т. е. с необходимостью совершить некоторую работу против сил трения. Кроме того, часть освободившейся энергии может израсходоваться на нагрев капли. Можно ожидать, что, приобретая сферическую форму, капля будет сама себя подогревать. Кроме того, может нагреваться и пространство, окружающее каплю. В этом случае сфероидизирующаяся капля будет играть роль своеобразной печки, отапливающей пространство вокруг себя.

Кроме названных «стоков» для избыточной энергии можно указать еще один — в основном о нем далее и будет разговор. Если приплюснутая несферическая капелька лежит на твердой пластинке и если почему-либо она должна преобразовать свою форму из несферической в сферическую, можно ожидать, что в момент преобразования она оттолкнется от пластинки и подскочит вверх, как может подскочить каждый из нас, оттолкнувшись от земли. Для совершения такого скачка капля, естественно, нуждается в энергии, которая может быть частью энергии, выделившейся при сокращении поверхности капли.

Как видите, стоков энергии много, и, очевидно, все «работающие», но скорость их действия и «поглощательная способность», конечно же, различны. Совершенно ясно, что капля не подпрыгнет, если изменение ее формы будет происходить медленно. В этом случае принципиально возможный расход энергии на скачок не произойдет. И на борьбу с сопротивлением жидкости изменению ее формы тоже будет расходоваться мало энергии, потому что этот расход, как оказывается, тем больше, чем быстрее должно произойти изменение формы. При медленной сфероидизации капли выделяющаяся энергия была бы израсходована в основном на ее нагрев и нагрев окружающего пространства. Увидеть, как капля подпрыгнет, можно лишь при условии, что преобразование ее формы будет происходить быстро. Если, присев на корточки, мы будем медленно распрямляться, прыжок не получится: чтобы подпрыгнуть, надо, быстро распрямляясь, оттолкнуться от земли. Но что значит «быстро» применительно к капле, которая изменяет свою форму? Капле, чтобы подпрыгнуть, надо побороть силу тяжести, препятствующую прыжку.

На каплю в момент ее прыжка действуют две силы.

Итак, возникает задача, которую можно сформулировать следующим образом. Допустим, что вся энергия, которая выделяется в процессе сфероидизации капли, должна быть израсходована только на ее подпрыгивание. Пусть другие стоки энергии каким-то образом запрещены. Спрашивается, при какой длительности процесса преобразования формы капли в сферическую капля оторвется от твердой пластинки, на которой она лежит? Решить такую задачу просто. Это могут сделать восьмиклассники в начале учебного года, узнав, что кинетическая энергия тела равна половине произведения его массы на квадрат скоро-

При такой оценке времени кажется, что надежда наблюдать подпрыгивающую каплю становится иллюзорной. Но, если каплю на подложке перевести в состояние невесомости или близкое к нему, произойдет то, к чему мы стремимся: потеряв вес, капля приобретает сферическую форму и на нее перестает действовать сила тяжести, мешающая оторваться от пластинки, на которой она лежит. В состоянии невесомости величина g, которая стоит в знаменателе последней формулы, обращается в нуль, а это значит, что т становится равным бесконечности, и капля подскочит даже при сколь угодно медленном преобразовании ее формы. При малейшем изменении формы она оторвется от пластинки и с некоторой скоростью начнет двигаться от нее. Ситуация совершенно аналогична той, в которую попадают космонавты во время полета, когда им приходится специально заботиться, чтобы случайное движение не вынудило их покинуть рабочее место.

Подпрыгнувшая в невесомости капля, колеблясь, свободно летит вверх

Вот теперь можно рассказать о великолепном эксперименте, который в 1970 г. поставили советские физики И. М. Кирко, Е. П. Добычин и В. И. Попов. Их эксперимент состоял в следующем. Тяжелый контейнер, в котором располагались прозрачный сосуд с двадцатиграммовой каплей ртути, залитой раствором соляной кислоты, и автоматически работающая кинокамера, сбрасывался с высоты 20 м. Во время свободного полета, длившегося 2 сек., все содержимое контейнера было практически в состоянии невесомости. Кинокамера зафиксировала происходящее в полете: ртутная лепешка, превращаясь в сферу, подпрыгнула и полетела прочь от дна прозрачной кюветы со скоростью 8,7 см/сек. Это главное наблюдение, сделанное камерой. Проверим, как оно согласуется с величиной энергии, которая должна выделиться при сфероидизации капли. Именно для этой проверки в начале очерка была названа энергия, которая выделяется при сфероидизации ртутной капли весом 20 г. Получив скорость 8,7 см/сек., она унесет с собой энергию Wk= mν^2/2= 752 эрг,

т. е. большую часть всей выделяющейся энергии. Не использованными при прыжке остались 1060 — 752 =  308 эрг. Как показала кинокамера, основная часть этой энергии была израсходована на преодоление сопротивления вязкой ртути ее деформированию — движущаяся капля пульсировала, колебалась, и на это расходовалась энергия.

При опытах обнаружился еще один сток энергии — на этот раз энергии движущейся капли. Когда капля подходила к границе соляная кислота — воздух, граница изгибалась и отражала от себя каплю, заставляя ее двигаться в обратном направлении. Часть энергии капли расходовалась на изгиб границы. Ртутная капля, подобно мячику, металась между дном кюветы и границей между соляной кислотой и воздухом. Именно поэтому свою статью, опубликованную в «Докладах АН СССР» (1970, т. 192, № 2), экспериментаторы назвали не совсем академично, но точно и выразительно: «Явление капиллярной игры в мяч в условиях невесомости».

Возникает естественный вопрос: почему этот опыт, в основе своей «классический», постановка которого не предполагает использования каких-либо новых «квантовых» идей, не был осуществлен, скажем, 150 лет назад? Неужели потому, что тогда не было автоматических кинокамер? Но мог же какой-нибудь энтузиаст-естествоиспытатель, держа в руках перед глазами прозрачную кювету с ртутной лепешкой, покрытой соляной кислотой, прыгнуть «солдатиком» в воду с десятиметровой вышки! Вынырнул бы и сообщил, что капля подпрыгнула. И скорость мог бы ее определить по зарубкам на кювете. А вот не прыгнул. Видимо, не было интереса к тому, что может произойти в невесомости. А сейчас, в наш век, интерес к невесомости огромный. Вот и пришла в голову мысль сбросить с высоты контейнер с ртутной каплей и автоматической кинокамерой.

Фильм о слиянии двух капель

Этому фильму предшествовала 26-летняя история. Ее начало восходит к 1944 году, а фильм был снят в 1970-м. Прежде чем всмотреться в кадры фильма, пожалуй, стоит проследить этапы этой истории. Началась она в Казани. Я. И. Френкель был в этом городе в эвакуации и работал над развитием теории жидкости и твердого тела. Он обдумывал вопрос, который и до него возникал перед многими: каким образом твердые, скажем металлические, порошинки, которые соприкасаются лишь в отдельных точках, после длительного отжига при высокой температуре оказываются прочно соединенными, приблизившимися друг к другу,— вопрос, рожденный необходимостью понять физику процессов, которые происходят при спекании спрессованных порошков, процессов, лежащих в основе порошковой металлургии.

Ученый последовательно развивал мысль: в строении твердых и жидких тел много общих черт и процесс плавления не бог весть какое революционное событие в жизни вещества, так как плотность при этом изменяется незначительно, незначительно меняется и расстояние между атомами, а следовательно, и силы, связывающие их. При плавлении катастрофически уменьшается вязкость вещества — жидкость течет даже при малых воздействиях на нее, а твердое тело при таких воздействиях зримо остается неизменным, сохраняя свою форму. В действительности, однако, и оно течет, но это происходит во много раз медленнее, чем в жидкости.

Такое различие свойств жидкости и твердого тела Френкель считал не принципиальным, а только количественным. В кругу этих идей у него и появился ответ на вопрос о том, каким образом твердые порошинки при высокой температуре самопроизвольно сближаются и соединяются в одно целое. Они просто сливаются, подобно тому как сливаются две соприкоснувшиеся жидкие капли. Такое слияние и в случае твердых крупинок, и в случае жидких капель оправданно и выгодно потому, что сопровождается уменьшением поверхности порошинок — капель. Вот, пожалуй, основная идея: порошинки сливаются, и этот процесс приводит к выигрышу энергии. Теперь нужен расчет скорости процесса слияния капель или крупинок. Он завершится формулой, затем эту формулу следует вручить экспериментатору, который выступит третейским судьей между теоретиком и явлением.

Профессор Френкель как-то писал о том, что хороший теоретик обычно рисует не точный портрет явления, а карикатуру на него. Это значит, что подобно карикатуристу, он отбрасывает не очень существенные детали явления и оставляет лишь наиболее характерные его особенности. Талантливый карикатурист нарисует несколько завитков на лбу, кончики пальцев, держащих сигару, узел галстука — и все уже знают, кого он изобразил. Перед физиком-теоретиком почти та же задача. Реальное явление, как правило, очень сложно и описать его абсолютно точно чаще всего просто немыслимо. И Френкель, великолепный теоретик, нарисовал «карикатуру» процесса: вместо реальных крупинок произвольной формы он примыслил две сферические крупинки, вместо реального контакта по какой-то сложной поверхности — контакт в одной точке. И еще одно упрощение он вынужден был сделать: решил описать лишь начальную стадию процесса, когда на образование контактного перешейка между двумя каплями расходуется так мало вещества, что радиусы сливающихся капель можно считать практически не- изменившимися. Он считал, что на этой стадии слияние сферических капель происходит под действием сил, которые приложены только к вогнутым участкам поверхности формирующегося перешейка, движутся только эти участки поверхности, а вся прочая поверхность сфер в процессе участия не принимает.

Теоретик сделал главное: предложил идею и определил условия, в которых проявляются наиболее существенные черты явления. После этого формула появилась без особого труда. Оказалось, что площадь круга, по которому соприкасаются сферические капли, равномерно увеличивается со временем: время увеличилось вдвое и площадь — вдвое, время — втрое и площадь — втрое.

Неизвестно, заботился ли Френкель лишь об удобствах теоретика, определяя черты «карикатуры», или думал и об экспериментаторе, но модель сливающихся сферических капель была экспериментаторами охотно взята «на вооружение». Они припекали друг к другу маленькие стеклянные бусинки, нагретые до высокой температуры. Подчеркнем слово «маленькие» — сферические бусинки имели диаметр не более долей миллиметра. С бусинками более крупными экспериментировать нельзя, так как они будут деформироваться под влиянием собственной тяжести, а этого модель Френкеля не предусматривает. Специально не подчеркивая этого, Френкель предполагал, что капли подвержены лишь силам, которые обусловлены наличием поверхностного натяжения, т. е. находятся в невесдмости.

Опыт ставился следующим образом: соприкасающиеся бусинки выдерживались при высокой температуре некоторое время, затем охлаждались. На охлажденных бусинках измерялась ширина контактного перешейка, а потом все повторялось сначала: нагревались, выдерживались, охлаждались, измерялись. В каждом таком цикле добывалась одна экспериментальная точка. По 5—10 точкам строилась зависимость; квадрата ширины контактного перешейка (эта величина пропорциональна площади контакта) от времени. Экспериментальные точки не совсем точно укладывались на прямую, но в общем, как и предсказывает формула Френкеля, прямая получалась.

Итак, как будто круг замкнулся. Экспериментатор подтвердил правоту теоретика, узнал в «карикатуре» истинную натуру. И все же, может быть, он увидел не все? Возможно, согласие теории и эксперимента иллюзорно, оно .не точное, а, как говорят, «в общих чертах»? Теоретику, определившему задачу, те допущения, которые он делает, решая ее, «карикатура» простительна, а от экспериментатора можно потребовать подлинную фотографию с деталями,. которые не обязательны в карикатуре.

Опыты с микроскопическими бусинками — не лучшим образом поставленные опыты. Во-первых, бусинки малы, и поэтому некоторое изменение их формы в процессе взаимного слияния обнаружить непросто. Во-вторых, они не абсолютно сферические. В-третьих, пусть не много, но сила тяжести все же искажает форму бусинок, размягченных температурой. В-четвертых, 5—10 точек, рассеянных вокруг прямой,— не стопроцентная гарантия выполнимости предсказаний теоретика.

Теперь уместно перейти к фильму о слиянии двух капель. Он назван «Слияние вязких сфер в невесомости». Чтобы избавиться от перечисленных упреков в неточности, опыт, который должен был быть заснят на кинопленку, мы поставили так.

Два одинаковых по весу бесформенных кусочка вязкого вещества, допустим смолы, следует поместить в жидкость, плотность которой в точности совпадает с плотностью смолы. Вскоре, если температура жидкости достаточна, бесформенные кусочки превратятся в идеальные сферы, как это было в опыте Плато. В этом случае не следует бояться, что сила тяжести исказит форму сфер, поскольку они находятся в невесомости. Это дает экспериментатору возможность изучать не микроскопические бусинки, а крупные сферы. Снимая этот фильм, мы экспериментировали со сферами диаметром 5 см. Разобщенные сферы . приводились в контакт, и все происходящее с ними снималось кинокамерой. Две пятисантиметровые сферы сливались в одну приблизительно за 1 мин. Так как скорость съемки 24 кадра в секунду, то весь процесс оказывался запечатленным на огромном количестве кадров — более тысячи. Для игрового фильма это число кадров ничтожно, а для экспериментатора 1000 кадров — это 1000 экспериментальных точек! По этим точкам можно построить надежную кривую, отражающую зависимость изучаемой характеристики от времени.

Слияние капель эпоксидной смолы в невесомости

Наблюдая за слиянием сфер в невесомости с помощью кинокамеры, можно получить истинный «портрет» явления и оценить интуицию и зоркость теоретика.

Кадры фильма свидетельствуют о том, что в основном Френкель был прав, но только в основном. Действительно, быстрее иных участков поверхности движется вогнутая область контактного перешейка, но движется не только она. Оказывается, что, стремясь поскорее слиться, сферы меняют свою форму и рядом с перешейком. Поэтому центры сфер сближаются быстрее, чем это следует из расчетов Френкеля. Поэтому и площадь контакта со временем изменяется по очень сложному закону, а закон, выведенный Френкелем, проглядывает сквозь последовательность огромного числа точек лишь как нечто усредненное, справедливое приближенно. На киноленте, кроме того, были запечатлены и более далекие стадии слияния сферических капель, которые описать с помощью формул чрезвычайно трудно. Начинает перемещаться вещество во всем объеме сферы, в каждой точке с разной скоростью и в разных направлениях, и оказывается практически невозможным усмотреть черты, пригодные для создания похожей «карикатуры».

Бот уже четверть века идея Френкеля определяет деятельность всех тех, кто занимается изучением процесса спекания. Кинокамера не отменила исследование 26-летней давности, а лишь указала на детали, от которых освободила сложное явление интуиция теоретика.

Статья Эйнштейна о лорде Кельвине

В конце 1924 года в немецком журнале «Naturwissenschaften» появилась статья Эйнштейна «К столетию со дня рождения лорда Кельвина». Эйнштейн счел своим долгом почтить память лорда Кельвина-Томсона — выдающегося английского физика прошлого века. Статья начинается с характеристики Кельвина — «...один из наиболее сильных и плодотворных мыслителей XIX столетия...», «...основатель теоретической школы, из которой вышел гениальный теоретик нового времени К .Максвелл...», «...одаренный богатой фантазией, редким умением применять математический аппарат и проникновенным умом...», «.. .не многие ученые были столь же плодотворны». А затем — о конкретных заслугах и достижениях. «Наиболее существенный вклад Томсона в развитие физики — это основание термодинамики...»; «В возрасте 23 лет он вводит одно из фундаментальнейших понятий современной физики — абсолютную температуру...»; «Обилие результатов... в области учения о теплоте, гидродинамики, учения об электричестве, навигации, физической географии и измерительной техники...»

Схема опыта Кельвина, в котором с помощью капель получено высокое напряжение

В мемориальной статье Эйнштейн стремится принести дань глубокого уважения блестящему ученому и решает не писать о всей деятельности Кельвина, а показать четкость его исследовательской мысли на нескольких примерах, которые в свое время Эйнштейна особенно восхитили. Из множества работ Кельвина он выбрал те, которые имеют касательство к каплям, вернее, из трех работ Кельвина, особенно поразивших Эйнштейна, две оказались о каплях. О них и рассказ.

В первой работе предлагается идея генератора высокого напряжения, в котором главным работающим элементом являются капли. Вместо пересказа принципа работы генератора я приведу цитату из статьи Эйнштейна.

«Из заземленной водонаполненной трубки [см. рисунок] вытекают две струи, которые внутри пустотелых изолированных металлических цилиндров СиС' разбиваются на капли. Эти капли падают в изолированные подставки Аи А'со вставленными воронками. С соединен проводником с А', аС'сА.Если С заряжен положительно, то образующиеся внутри С капли заряжаются отрицательно и отдают свой заряд А, заряжая тем самым С' отрицательно. Из-за отрицательного заряда С' образующиеся внутри него водяные капли получают положительный заряд и разряжаются в А',увеличивая его положительный заряд. Заряды С, А'и С', Авозрастают до тех пор, пока изоляция препятствует проскакиванию искры».

Идея Кельвина изумительна по простоте и очевидности, и мы в своей лаборатории решили воплотить ее в реальных каплях и металлических бездонных цилиндрах и стаканах. Все, что изображено на рисунке, мы разместили под стеклянным колпаком, оградив от различных внешних воздействий, а от цилиндров С и С' вывели из колпака проводники и присоединили их к двум одинаковым металлическим шарикам диаметром 1 см. Шарики укрепили на специальной подставке, и расстояние между ними сделали неизменным — 1 мм. Затем, открыв зажимы, дали возможность каплям падать и начали наблюдать: подсчитывали число упавших капель и следили, когда между шарами проскочит искра.

В тот момент, когда проскочила искра, между шариками была разность потенциалов 3000 вольт! Никто в наши дни не пользуется капельным методом, чтобы создавать высокие напряжения,— существуют способы помощнее... И все же нельзя не понять Эйнштейна, который был восхищен кельвиновской идеей.

В мемориальной статье Эйнштейн рассказал еще об одной идее Кельвина, имеющей прямое отношение к капле. Кельвин заинтересовался следующим вопросом: как зависит давление пара жидкости вблизи поверхности от степени ее искривленности? Если рассуждать предметно, то речь идет о том, насколько отличается давление пара вблизи изогнутой поверхности водяной капли от давления пара вблизи плоской поверхности воды, налитой в широкое блюдце. В поисках ответа па этот вопрос Кельвин рассуждал так. Допустим, что в сосуд с жидкостью погружена тонкая трубка, внутренний радиус которой R. Если жидкость не смачивает материал, из которого сделана трубка, то ее уровень в трубке расположится ниже, чем в широком сосуде, в который налита жидкость. Произойдет это по причине очевидной: в связи с тем что жидкость не смачивает стенок трубки, поверхность жидкости в ней будет выпуклой, полусферической, именно поэтому к жидкости будет приложено давление, направленное внутрь, то самое лапласовское давление, с которым мы уже встречались, обсуждая опыт Плато. Под влиянием этого давлений уровень жидкости в трубке опустится ровно настолько, чтобы давление из-saразности уровней жидкости в трубке и вне ее в точности равнялось лапласовскому. Его величину мызнаем: Рл = 2α/R Разность уровней h обусловит давление Р = ρgh. Буквами обозначены следующие величины: α — поверхностное натяжение жидкости, ρ — ее плотность, g — ускорение силы тяжести. Приравняв два эти давления, мы убедимся, что разница уровней h = 2α/ρgR .

Таков результат первого этапа рассуждений Кельвина.

К расчету влияния кривизны поверхности жидкости на давление пара над ней

Второй этап — естественное продолжение первого. Над всей поверхностью жидкости — и той, которая в трубке, и той, которая в широком сосуде,— имеется пар этой жидкости, однако не везде давление, оказываемое им на жидкость, одинаково: несколько большим оно будет над поверхностью жидкости в трубке, так как слой пара над ней толще на величину h. Очевидно, дополнительное давление этого слоя равно ΔР = ρ_0gh, где ρ_0 — плотность газа, которая много меньше плотности жидкости. Величину hмы знаем — она была найдена на первом этапе рассуждений — и, следовательно, можем определить величину ΔР. Она очень важна, и поэтому формулу, которая определяет эту величину, мы вынесем на отдельную строку:

По поводу этой формулы Эйнштейн заметил, что она действительна «независимо от того, какими причинами обусловлено возникновение кривизны поверхности».

Можно понять восхищение, испытанное Эйнштейном, когда он ознакомился с логикой рассуждений и формулой Кельвина. Ведь, казалось бы, Кельвин обсуждал совсем частный пример: широкий сосуд, в нем жидкость, в жидкости капилляр и т. д. А пришел к закону природы огромной важности и выразил его формулой, в которой ничего не содержится от того частного примера, который обсуждался. Разве что только R — радиус тонкой трубочки. Но ведь трубочка, как оказалось, нужна была только для

того, чтобы получить участок изогнутой поверхности, ограничивающей жидкость.

Вспомним о капле — она вся ограничена изогнутой поверхностью, и значит, давление пара вблизи нее будет повышено на величину, определяемую формулой Кельвина: чем меньше радиус капли, тем большее давление пара над ней. В этом легко убедиться с помощью многих опытов — далее мы с ними еще встретимся, а здесь, вместе с Эйнштейном, восхитимся талантом Кельвина — его проницательным умом и великолепной логикой.

Капля пустоты

Много лет подряд вместе с моим покойным учителем Борисом Яковлевичем Пинесом мы занимались изучением пористых кристаллических тел. Так случилось, что я ни разу не спросил, как у него возникло представление о капле пустоты — поре в кристалле. А сейчас, к сожалению, спросить уже некого и остается лишь строить догадки, сопоставляя факты и отрывки случайных разговоров.

Образ капли пустоты прочно вошел в физику твердого тела, о нем вспоминают всякий раз, когда надо осмыслить поведение различных дефектов в кристалле. И я расскажу о том, как этот образ возник. На примере рождения образа капли пустоты можно проследить, как вяжется логическое кружево мысли ученого, где сосуществуют и конкурируют фантазия и строгая формальная логика.

Борис Яковлевич не очень был склонен к аналогиям, упрощенным моделям, картинам, иллюстрирующим мысль. Он часто повторял, что картина — образование двумерное и, следовательно, неглубокое. Аналогия может появиться позже, а вначале должна быть формула, численная оценка. И еще, посмеиваясь, он любил говорить о том, что иных формулы гипнотизируют, поскольку формула — это математика, а математика, как известно, наука точная. Это преувеличенное почтение к формулам обычно испытывают люди, которые никогда не создавали их и поэтому не чувствуют ни их слабостей, ни таящихся в них возможностей.

Первая работа Бориса Яковлевича, посвященная изучению поведения пор в кристаллах (она появилась еще в 1946 году), начинается с анализа давно известной формулы лорда Кельвина, которая устанавливает связь между давлением пара вблизи изогнутой поверхности капли (РR), ее радиусом (R) и давлением пара вблизи плоской поверхности жидкости, из которой капля состоит (Р_0). Вот эта формула:

В нее входят величины поверхностного натяжения (α), объема, приходящегося на один атом в жидкости (ω), температуры (Т) и некоторая постоянная величина к, так называемая постоянная Больцмана.

Легко заметить, что в формуле Кельвина нет ничего специфически «жидкого» и ее можно применять и к твердым закристаллизовавшимся каплям. Надо только при этом помнить, что поверхностное натяжение зависит от ориентации кристаллографических плоскостей, охраняющих застывшую каплю. Но это деталь, а в главном формула применима к твердым кристаллическим каплям. Из формулы следует, что, чем меньше капля, т. е. чем меньше ее радиус, тем на большую величину давление пара вблизи ее поверхности превосходит давление пара вблизи плоской поверхности вещества, из которого капля состоит.

Понять это легко. Ведь что означают слова «упругость пара больше» или «упругость пара меньше»? Они означают, что при прочих равных условиях в газе вблизи поверхности будет большая или меньшая концентрация атомов вещества капли. Атом, который расположен на искривленной поверхности капли, имеет меньшее число соседей, чем тот, который расположен наплоской. В случаепредельно маленькой капли, состоящей из одного атома, этот атом и находился бы па «поверхности» в единственном числе, вообще не имея соседей. Капля из одного атома, конечно же, никакая не капля, но эта условность помогает почувствовать тенденцию: чем меньше капля, тем меньше соседей у атома, сидящего на ее поверхности. А меньше соседей — меньше связей, удерживающих атом на поверхности, меньше связей — легче оторваться, легче оторваться — большее число атомов это совершит, и следовательно, большая их концентрация будет в газе вблизи поверхности. Именно это строго и описывает формула.

Борис Яковлевич прочел эту формулу по-своему, неожиданно и формально очень строго. Он обратил внимание на то, что она примечательна не только теми величинами, которые входят в нее, но и теми, которые в ней отсутствуют. Из величин, характеризующих вещество капли, в формулу входят лишь поверхностная энергия и объем, приходящийся на один атом. Масса атома не входит. Формально это означает, рассуждал он, что формула годится для вещества с любой массой атома, от бесконечной до равной нулю. Бесконечная масса — это по ту сторону разумного, а вот о «веществе» с нулевой массой «атома» можно говорить вполне серьезно, не забывая, однако, о кавычках. Таким «веществом» является пустота.

Несколько странное соседство слов «вещество» и «пустота». В действительности имеется в виду не «вещество», а отсутствие вещества. Например, в узле кристаллической решетки нет атома, которому следовало бы в этом узле быть. Этот свободный от атома узел можно назвать «атомом пустоты», а физики его иногда называют «вакансией». Очевидно, скопление большого количества «атомов пустоты» должно образовать «каплю пустоты», т. е. пору. Все это по аналогии с реальными атомами и реальным веществом: скопление большого количества, скажем, атомов железа, образует каплю железа. Разумеется, при температуре более высокой, чем температура плавления железа.

Итак, пустой узел в кристаллической решетке — «атом пустоты», пора в кристалле — «капля пустоты», и они должны подчиняться формуле, которая впервые была написана более 100 лет назад и применительно к «капле пустоты» впервые прочтена Борисом Яковлевичем Пинесом.

Теперь о следствиях нового прочтения формулы. И не о  всех, а о самом главном, ради которого стоило пристально всмотреться в старую формулу и заново ее прочесть.

Перенос жидкости из капли в блюдце

Капля пустоты (пора) испаряется в кристалл. Вблизи поры много вакансий (зачерненные кружки), вдали — мало

Вот опыт, который демонстрируют на школьных уроках физики или рассказывают о нем. Небольшой стеклянный колпак (перевернутый стакан) установлен на стекле. Под колпаком блюдечко с водой и рядом на предметном стеклышке капли воды. Эти капли надо поместить на стеклышко после того, как пространство под колпаком насытится водяным паром, который образуется над плоской поверхностью воды в блюдце. Через некоторое время капли исчезнут — они испарятся, а возникшие при этом в водяном паре молекулы воды сконденсируются на поверхности воды в блюдце.

Итак, в начале опыта под колпаком было три объекта: вода в блюдце, вода в каплях и насыщенный водяной пар. Опыт окончился, когда один из объектов исчез — капель не стало. Здесь все ясно: согласно формуле, давление пара над изогнутой поверхностью водяной капли больше, чем над плоской поверхностью воды в блюдце, и пар под влиянием этой разности давлений двигался по направлению к блюдцу — уходил оттуда, где его давление больше, и приходил туда, где его давление меньше. Чтобы вблизи своей поверхности поддерживать давление, предписываемое ей формулой, капля должна все время испаряться. Она это добросовестно делала и в конце концов исчезла.

А теперь тот же опыт только не с каплями и атомами реальной жидкости, а с «каплями» и «атомами» пустоты. Вместо колпака с блюдцем и каплей — монокристалл. Он огранен плоскими поверхностями и в объеме имеет одну пору сферической формы. Вблизи изогнутой поверхности поры (капля!) концентрация вакансий повышена, а вблизи плоской поверхности, которая отделяет кристалл от окружающего пространства (вода в блюдце!), концентрация вакансий нормальная, не повышена. Очевидно, появится поток вакансий от поры к поверхности кристалла, и, подобно капле воды, пора исчезнет — «испарится в кристалл». Образовавшийся при этом в кристалле избыток вакансий со временем сгладится — вакансии либо поглотятся внутренними стоками, либо с помощью диффузии переместятся к внешней поверхности кристалла.

Начали мы опыт с пористым, а окончили с беспористым кристаллом! Как быстро это произойдет? Все зависит от размеров поры и температуры кристалла. Например, пора, радиус которой один микрон, в медном кристалле при температуре 1000° С исчезает приблизительно за 30 мин.

Все рассказанное о формуле, об аналогии между реальными каплями и каплями пустоты лежит в основе целого раздела современной физики твердого тела— физики спекания, которая объясняет, как пористые кристаллические тела самопроизвольно при высоких температурах превращаются в плотные. Оказывается, капли пустоты могут испаряться в кристалл!

Удобная «постель» для капли

В названии очерка нет надуманности — его содержание находится в полном соответствии с названием. Дело в том, что гладкая, чистая, полированная поверхность твердого тела для жидкой капли неудобна. Попав на нее, капля будет пытаться изменить, улучшить подложку, сделать ее более удобной, даже если для этого ей придется трудиться очень долго.

Взаимное расположение сил, действующих на контур капли, лежащей на гладкой твердой поверхности

Напомню, что нет ничего удобнее для капли, чем быть взвешенной в пространстве, в невесомости: ни с чем она не соприкасается, никакие силы ее не искажают и ни к каким изменениям она не стремится. А на пластинке с плоской поверхностью все не так, даже если пластинка с каплей находится в невесомости.

Вначале подумаем над тем, чем гладкая поверхность неудобна для жидкой капли. Казалось бы, капля подвижна и должна, переливаясь, как-то приспособиться к плоской поверхности, сделать свое пребывание на ней удобным. Оказывается, что одним изменением собственной формы добиться этого капля не может.

Посмотрите на приведенный рисунок. На нем изображена капля жидкости, смачивающей твердую поверхность (угол φ — острый). Стрелками обозначены силы, обусловленные поверхностным натяжением на границе подложка — капля (α_21), подложка — воздух (α_20) и капля — воздух (α_10). Все дальнейшее можно было бы рассказать, имея в виду и каплю, не смачивающую твердую поверхность. Но мы остановимся на случае, который изображен на рисунке. Из него с очевидностью следует, что три силы, которые соответствуют поверхностным натяжениям твердое — воздух, твердое — капля и капля — воздух, ни при какой форме капли не могут прийти в равновесие, так как первые две из них направлены одна против другой и лежат в одной плоскости, а третья — под углом к ней. Именно поэтому имеется нескомпенсированная сила, приложенная к контуру капли,— на рисунке она обозначена жирной стрелкой и, пожалуй, может считаться количественной мерой степени неудобства подложки. Капле надо сделать что-либо с собой или с подложкой, чтобы избавиться от нее.

Можно рассказать об этом по-другому. Выпуклая поверхность капли создает давление, которое прижимает ее к плоскости. Это так называемое капиллярное (лапласовское) давление — мы уже с ним встречались. Участок же поверхности капли, который граничит с твердой подложкой, такого давления не создает: оно должно быть пропорциональным 1/R, а радиус кривизны плоского участка

поверхности капли равен бесконечности, и, значит, давление равно нулю. К одному участку поверхности давление приложено, к другому — не приложено, а это неудобно. Капля, подвешенная в невесомости, таких неудобств не испытывает.

Два разных рассказа об одном и том же явлении можно проиллюстрировать двумя опытами. Опыт первый иллюстрирует первый рассказ, опыт второй — второй.

Опыт первый. На полированной поверхности стеклянной пластинки, сухой и чистой, располагается тонкий лепесток полимерной пленки. Хорошо, если его толщина будет не более 5 микрон. На поверхность лепестка надо посадить каплю воды и наблюдать за происходящим. Капля начнет изгибать пленку, стремясь завернуться в нее. Отчетливо это иллюстрирует кинограмма. Работает при этом та сила, которая на рисунке обозначена жирной стрелкой. Если бы полимерная пленка абсолютно подчинялась воле капли, произошло бы следующее: капля приняла бы форму сферы, равномерно покрыв себя слоем полимерной пленки. В действительности же, так как плоская пленка не может приобрести сферическую форму, капле не удается полностью в нее завернуться, но все же устраивается она при этом более удобно, чем на плоской поверхности.

Стремление капли завернуться в пленку мы объяснили, сославшись на силу, изображенную жирной стрелкой. Можно и в иных словах и понятиях описать процесс, запечатленный на кинограмме, смонтированной из кадров фильма, в котором заснята кинетика заворачивания водяной капли в пленку. Из рисунка следует, что α_21 + α_10•  cos φ = а_20. Так как cos φ≥0, то α_21 < α_20 и, следовательно, заведомо меньше, чем сумма α_10 + α_20. Это означает, что выгодно вместо двух свободных поверхностей капли и пленки создать одну поверхность, вдоль которой капля и пленка соприкасаются. А для этого капле следует в пленку завернуться, что она и делает.

Последовательность моментов ваворачивания водяной капли в лепесток из полимерной пленки

Внимательно присмотритесь к каплям, которые после дождя остались на поверхности тонких листиков, и вы увидите, что вблизи капель листики изогнуты значительно больше, чем это могло бы произойти лишь под влиянием их веса. Капли явно готовили себе «постель» поудобнее.

Опыт второй был поставлен чешскими физиками. На полированную поверхность массивного кристалла железа наносилась капля расплавленного свинца. Железо было раскалено до температуры более 1000° С, и поэтому свинцовая капля оставалась жидкой. Кристалл железа — не полимерная пленка, и изогнуть его вокруг себя капля не может. Поэтому поступает она иным способом: выкапывает под собой ямку такой формы, чтобы вдоль контуров капли все три силы скомпенсировались так, как показано на рисунке. Эта «удобная» ямка должна иметь такую фор-

му, чтобы давление, обусловленное изогнутой поверхностью жидкий свинец — воздух, было в точности равно тому давлению, которое обусловлено искривленностью поверхности жидкий свинец — твердое железо, т. е. дна ямки.

Равенство двух этих давлений означает, что α_10/R_10= α_12/R_12   . Итак, давления равны, а кривизна двух поверхностей различна, потому что различны соответствующие поверхностные энергии.

Взаимное расположение сил, действующих на контур капли, которая «удобно устроилась» на твердой поверхности

Выкопав под собой ямку, капля как бы перенеслась в невесомость — как и в невесомости, капиллярное давление оказалось одинаковым вдоль всей поверхности, ограничивающей каплю.

Естественно возникает вопрос: каким образом капля выкопала ямку? Ответим на него. Вначале, когда капля была расположена на плоской поверхности железа, она прижималась к нему тем давлением, которое обусловлено искривленностью поверхности свинец — воздух. Под влиянием этого давления железо из-под свинцовой капли перемещалось в области вокруг нее. Перемещалось в процессе диффузии поатомно, атом за атомом — опыт ставился при высокой температуре, когда диффузия в железе происходит достаточно активно.

Надо подчеркнуть, что в описанном опыте капиллярное давление, которое обусловливает перемещение железа из-под свинцовой капли, существенно больше давления, обусловленного ее весом, так как капля свинца была очень «маленькая» в том смысле, в каком мы об этом говорили в очерке об опыте Плато.

Итак, в названии очерка все точно. Попав на твердую поверхность, капля действительно готовит себе удобную постель: либо изгибает подложку, если ей это удается, либо выкапывает для себя удобную ямку.

Раздавленная капля

Аналогия рождается на перекрестках памяти и раздумий и иногда связывает воедино образы и события, состоящие в очень дальнем родстве. Неожиданная аналогия, даже отдаленная или поверхностная, родившись вовремя, может помочь исследователю выйти из тупика и осветить путь к решению.

Когда-то, в конце 40-х годов, я участвовал в экспериментальной работе. Ее цель заключалась в определении физических характеристик вещества, которое ранее не исследовалось. Ранее этого вещества в чистом виде просто не было — ценой больших усилий его получили химики.

На первый взгляд задача совсем не новая, и решать ее следует, двигаясь путями, проторенными многими исследователями, изучавшими физические характеристики других веществ. Наша задача, однако, была усложнена тем, что экспериментировать мы могли лишь с микроскопическими крупинками. Каждая крупинка весила около одной миллионной грамма, а размер ее — несколько десятков микрон. Количеством крупинок мы были очень ограничены — химики их добывали с трудом.

Группа, в которой я работал, должна была определить температуру плавления и поверхностное натяжение вещества в жидкой фазе.

В обычном «макроскопическом» эксперименте температура плавления измеряется легко и просто: в образец погружают термометр и следят за тем, как меняются его показания по мере нагрева образца. Температура постепенно возрастает. Когда она достигнет некоторого значения, ее рост приостановится в связи с тем, что тепло, притекающее к образцу, начнет расходоваться не на нагрев, а на процесс расплавления. Эта температура и является температурой плавления. Когда же масса крупинки — одна миллионная грамма, термометр внедрить в нее невозможно и для определения температуры плавления следует искать обходные пути.

Один из участников нашей группы, у которого за плечами были годы работы в литейном цехе, предложил совсем неожиданное решение задачи. Его память хранила воспоминание, родившее аналогию. В годы войны, сказал он, я вел плавку одновременно в нескольких одинаковых тигельных электропечах. Загружал их алюминиевыми чушками и, чтобы определить начало расплавления шихты в печи, не забираясь на ее загрузочную площадку, в каждую печь между чушками вертикально устанавливал длинный металлический стержень, который был виден над печью. В момент начала плавления стержень наклонялся — это служило сигналом.

Это воспоминание подсказало идею, с помощью которой можно было измерить температуру плавления крупинки. Опыт заключался в следующем. На тщательно отполированной пластинке кварца располагалась крупинка. Сверху ее накрывали другой пластинкой кварца, которая, касаясь крупинки, образовывала некоторый угол с первой пластинкой. Это устройство нагревали, и в тот момент, когда крупинка расплавлялась, верхняя пластинка раздавливала образовавшуюся каплю и угол между пластинками скачкообразно уменьшался. Чтобы надежнее этот момент зарегистрировать, на внешнюю поверхность верх^ ней пластинки нанесли зеркальное покрытие и следили за тем, как отражаемый от нее луч скачком смещается. Пластинка, меняющая свое положение, была подобна металлическому стержню, который наклонялся, свидетельствуя о начале процесса плавления. Так как масса крупинки пренебрежимо мала по сравнению с массой кварцевых пластинок, между которыми она зажата, температура крупинки равна температуре пластинок и, следовательно, измерить ее весьма просто.

В описанном опыте, вопреки известной пословице, нам удалось убить двух зайцев: определить, во-первых, температуру плавления и, во-вторых, величину поверхностного натяжения расплавленного вещества. Дело в том, что верхняя пластинка, раздавливая своей тяжестью каплю, превращала ее в лепешку определенной толщины. Сколько раз ни повторялся бы опыт по расплавлению одной и той же крупинки, образовывавшаяся жидкая капля весом пластинки расплющивалась до одной и той же толщины к . Эту величину можно было уменьшить, увеличивая вес верхней пластинки. Легко понять, что дальнейшему

расплющиванию препятствуют силы поверхностного натяжения, приложенные к той части поверхности расплющенной капли, которая граничит с воздухом. В наших опытах вещество капли практически не смачивало кварц (именно поэтому опыты и ставились с кварцевыми пластинками) и, следовательно, можно считать, что радиус закругления свободной поверхности r= h/2

Величина поверхностного натяжения α может быть определена из условия равенства давления, которое оказывает пластинка на жидкую каплю (Рп), и лапласовского давления (Рл), которое обусловлено искривленностью ее свободной поверхности. Если вес пластинки давит на каплю с силой F, а площадь ее контакта с расплющенной каплей πR^2, то Рп = F/πR^2. Величина Рл = α/r  = 2α/h      Приравнивая Рп к Рл, находим формулу, с помощью которой можно определить величину поверхностного натяжения вещества:

α = F.h/2πR_2

Величины h и R можно измерить с большой точностью, а силу легко определить, зная вес верхней пластинки.

Способ решения стоящей перед нами задачи, который подсказала возникшая вдруг аналогия, конечно же, был не единственно возможным. Видимо, можно было придумать и иные приемы, но нас привлекла в нем неожиданность аналогии и возможность опровергнуть пословицу о двух зайцах.

ПЕРВАЯ КАПЛЯ ТАЛОЙ ВОДЫ

Что там творится в мире заоконном?

Зима в исходе, видно по всему.

Давайте вместе слушать, как со звоном

Летит сосулька из зимы в весну.

Александр Межиров

Капля, осушенная иглой

Расскажу об одном очень простом опыте, который когда- то в нашей лаборатории был поставлен и заснят на кинопленку. «Героем» фильма, естественно, была капля.

Начну с предыстории, с «общих соображений». Во многих учебниках физики утверждается, что жидкость смачивает твердое тело того же вещества: жидкая медь — твердую медь, вода — лед. Это означает, что если бы, например, на поверхности твердой меди поместить каплю жидкой меди, она должна была бы растечься по ней тонким слоем. Утверждается, что это веществу «выгодно», поскольку при этом его поверхностная энергия уменьшается, т. е. что поверхностная энергия твердой меди на границе с парами меди больше, чем сумма энергий на границе твердая медь — жидкая медь и жидкая медь — пары меди. Разумеется, медь — это лишь пример. Имеется в виду, что утверждение справедливо применительно ко многим веществам.

Если авторы учебников физики не заблуждаются, то смачивание твердого тела жидким должно проявлять себя во многих явлениях. Ведь это означает выгодность наличия жидкой пленки на поверхности твердого тела. Чуть курьезно об этом можно сказать так: твердым телам выгодно быть мокрыми. Но окружающие нас твердые предметы сухи, если, разумеется, мы их специально не смочим. Впрочем, и смочить их не просто, так как смачивать надо жидкостью того же вещества, что и твердое тело, а такая жидкая пленка на твердом теле быстро кристаллизуется и, присоединившись к нему, становится твердой.

Впрочем, быть может, авторы учебников не заблуждаются и существуют условия, при которых потребность твердых тел быть мокрыми удовлетворяется. Ведь жидкая пленка на твердой поверхности — это как бы палка о двух концах. С одной стороны, пленка выгодна, так как с ее присутствием связано уменьшение поверхностной энергии,— об этом уже говорилось. С другой стороны, пленка невыгодна — с ней связана избыточная «объемная» энергия: если пленка закристаллизуется, выделится энергия, и тем большая, чем дальше отстоит температура, при которой находится твердое тело, от температуры его плавления. Если дело обстоит так, то, быть может, авторы учебников все же правы и их правота не противоречит нашему жизненному опыту, протестующему против того, что якобы все твердые тела должны быть мокрыми. Быть может, твердые тела станут мокрыми, когда их температура непосредственно приблизится к температуре плавления, когда проигрыш «объемной» энергии будет меньшим, чем выигрыш «поверхностной». Ведь процессы, которые в природе происходят самопроизвольно, всегда движимы стремлением к уменьшению энергии. Скажем так: камень сам в гору не покатится, а вот с горы — при первой возможности.

В первые послевоенные годы в одном из томов «Докладов АН СССР» было опубликовано описание интересного опыта, который поставили В. И. Данилов и Д. С. Каменецкая. Опыт заключался в следующем. Маленький шарик металлического натрия, состоящий из нескольких кристалликов, медленно нагревался в ультратермостате, где температура поддерживалась и регулировалась с большой точностью, кажется, не меньшей пяти тысячных градуса. Границы между отдельными зернами на поверхности шарика очерчивались канавками. Они образовывали узор, подобный тому, который образуют швы на покрышке футбольного мяча. Канавки на шарике сохранялись при всех температурах, однако, когда до температуры плавления оставалось менее одной сотой градуса, они исчезли и вся поверхность шарика, ранее бывшая матовой, как бы покрывалась глазурью. Когда шарик натрия немного охлаждался, канавки снова появлялись, а затем повторным нагревом можно было заставить их исчезнуть, а поверхность покрыться глазурью. Это наблюдение очень .естественно объясняется «общими соображениями»: жидкость смачивает собственное твердое тело, и поэтому вблизи температуры плавления твердое тело должно покрыться жидкой пленкой — это она сглаживает канавки и придает поверхности блеск глазури.

Авторы опыта с шариком натрия изучали не причины и закономерности появления и исчезновения канавок на его поверхности. Это наблюдение — побочный результат опыта, и поэтому они специально не стремились убедиться в том, что вблизи температуры плавления натрий запотевает, покрывается тонким жидким слоем.

Опыт, о котором рассказано, очень красив, но его результат лишь косвенно свидетельствует о правильности утверждения, что жидкость смачивает твердое тело того же вещества. Если жидкая пленка появляется — канавки должны исчезнуть, но не исключено, что они исчезают по каким-либо иным причинам, а причин может быть множество.

Здесь можно оставить предысторию и «общие соображения» и перейти к опыту, о котором говорилось в начале очерка. Мы пытались придумать прямой опыт, результат которого, не допуская кривотолков, убедил бы нас в том, что твердое тело с готовностью покроется жидкостью того же вещества, если такая возможность будет ему предоставлена. Вспомнили о ментоле — веществе, расплав которого очень легко переохлаждается. Кристаллики ментола плавятся при 35° С, но и при комнатной температуре ментол может оставаться жидким.

Опыт заключался в следующем. На стеклянной пластинке поместили маленький кристалл ментола, подогрели его, расплавили, и он превратился в жидкую каплю. Ментоловая капля немного растеклась по стеклу и приняла форму плоской лепешки. Затем взяли ментоловую иголочку — продолговатый кристаллик ментола, сечение которого было много меньше площади капли,— и опустили ее в ментоловую переохлажденную жидкую каплю.

Рассуждали так. Игла из кристаллика ментола может вмешаться в судьбу капли двумя различными способами. Она может явиться затравкой, которая вызовет кристаллизацию переохлажденной ментоловой капли. В этом случае капля, затвердев, останется на стекле в виде твердой лепешки, которая по форме мало отличается от формы жидкой капли. Может произойти и иное: ментоловая игла, оказавшись в непосредственном контакте с жидким ментолом, начнет жадно втягивать его на свои свободные поверхности, чтобы закрыть их жидкой пленкой. Если это произойдет, игла осушит каплю, как бы промокнет ее.

Произошло именно это: у места контакта с каплей игла начала утолщаться. Дело обстояло так. Жидкий ментол, который в виде тонкого слоя наполз на поверхность иглы, кристаллизовался. На возникшую при этом свежую твердую поверхность опять наползал ментол и в свою очередь тоже кристаллизовался. Так происходило до тех пор, пока вся масса жидкой капли не перебралась на иглу. Разумеется, процессы наползания и кристаллизации не следовали один за другим, а происходили одновременно, но наползание было ведущим процессом.

Ментоловая капля наползает на кончик ментоловой иглы

Нам, конечно, повезло — могла бы осуществиться первая возможность, и капля осталась бы на стекле твердой лепешкой. В чем же причина везения? Главным образом в том, что наползал ментол на иглу со скоростью большей, чем кристаллизовался. Опыт с иным веществом, которое, как и ментол, подчиняется правилу, описанному в учебнике физики, окончился бы неудачей, если бы соотношение между скоростью наползания и кристаллизации было неблагоприятным для проявления наползания и капля отвердела бы прежде, чем заметная ее часть успела бы наползти на иглу.

Обнаружив, что игла может осушить каплю, мы решили заснять этот процесс на киноленту и теперь показываем студентам двухминутный фильм на лекции, посвященной явлениям на границе между твердой и жидкой фазами. Кинограмма, иллюстрирующая очерк, смонтирована из кадров этого фильма.

Талая вода

Весеннюю капель, таяние снега, ручейки талой воды я почему-то всегда встречаю с грустью. Приход весны вызывает у меня ощущение не начала чего-то, а конца... Все свои планы я строю не на «учебный год» и не от новогодней ночи и до новогодней ночи, а от талой воды и до талой воды. Гонг, отбивающий годы, в моих ушах звучит весенней капелью.

Каждую весну я с грустью гляжу на талую воду. Много весен мелькало, но никогда я не задумывался над тем, как снег — белый и пушистый — рождает талую воду? Вопрос этот не возникал, видимо, потому, что ответ предполагался простым и давно известным: снег состоит из снежинок — кристалликов, эти кристаллики, как и все кристаллические тела, при определенной температуре плавятся, превращаясь в жидкость. Для снега эта «определенная температура» — нуль градусов. Вот и все.

Мне «по долгу службы» следовало бы больше знать об особенностях плавления снега. Снег ведь это не просто совокупность отдельных снежинок, каждая из которых ведет себя независимо. В снеге снежинки соприкасаются, образуя ажурную конструкцию из кристаллов и пустоты, а это, быть может, как-то влияет на судьбу отдельной снежинки? Быть может, капля воды рождается снегом не так, как снежинкой? Следовало бы знать, но я этого не знал, и лишь благодаря случаю пристальнее пригляделся к тому, как рождается талая вода — капля за каплей.

Я жил зимой в лесу, в небольшом деревянном домике. В отличие от сказочных лесных избушек, забытых богом и людьми, этот домик людьми не был забыт. Люди, персонал Дома отдыха, домик утеплили, установили в нем много батарей парового отопления и гнали по ним столько горячего пара, что в комнате было нестерпимо жарко. Температура воды в графине достигала, кажется, 30° С. Пить эту воду было неприятно, и я решил приготовить холодную воду — растопить снег и напиться талой воды. Вокруг домика было много свежего, сверкающего снега.

Здесь начинается рассказ о физическом опыте. Назовем его так: опыт первый. Прозрачный стеклянный стакан я доверху заполнил снегом, немного притрамбовал его и поставил в комнате на столе. Со временем снег опустился ниже кромки стакана и отстал от стекла. Минут через пятнадцать объем снега уменьшился почти вдвое. Снег терял белизну, в нем явно образовывалась вода, но на дне стакана ее не было — ни капли! Первые капли талой воды появились позже, когда снег, промокнув, начал в стакане расползаться, оседать.

Последовательность кадров фильма о таянии снежных сфер

Этот случайно поставленный опыт убедительно свидетельствовал о том, что, плавясь, снег удерживает в себе воду. Или лучше так: ту воду, которая раньше всего образуется на поверхности снега, где температура наиболее высока, снег всасывает в себя. Это удивительно напоминает осушение ментоловой капли ментоловой иглой. Вместо ментоловой иглы — пористый снег, в котором много поверхностей, «жаждущих» покрыться водой, вместо жидкого ментола — вода, образующаяся при плавлении поверхностного слоя снега.

Первый случайный опыт мне показался нечистым, «упрекаемым», так как не все участки поверхности снега в стакане были в одинаковых условиях: боковая поверхность и верхний торец снежного цилиндра соприкасались с воздухом, а нижний торец, на котором цилиндрик стоял,— со стеклом стакана. Я поставил опыт преднамеренно — опыт второй. Из снега слепил небольшой шарик — такой, каким ребята играют в снежки. Продел сквозь него нитку и наблюдал за тем, что происходит со снежной сферой, прежде чем от нее отделится первая капля талой воды.

Позже, уже в условиях лаборатории, этот опыт был повторен аккуратнее, со многими снежными сферами разных размеров, и все увиденное заснято кинокамерой. Чтобы результаты опытов можно было обработать количественно, рядом с шарами расположили масштабную линейку и часы. Кинолента рассказала о том, что со временем при комнатной температуре все снежные шары уменьшаются. Внизу каждого из них появляется вода, которая, однако, не капает, а остается в снегу. Снежная сфера со всех сторон равномерно обогревается воздухом, и вода появляется на всей ее поверхности. Капиллярными силами она втягивается в объем сферы, а затем под действием силы тяжести собирается в ее нижней части. Здесь сфера темнеет. Накапливающаяся вода продвигается к «макушке» сферы, и, когда весь объем сферы «напьется», от нее отделится первая капля. А затем капля за каплей — весь снег истечет талой водой. Чем меньше сфера, тем раньше появится первая капля.

Немного простых рассуждений. Очевидно, перед рождением первой капли, насытившись водой, т. е. заполнив ею все поры, снежная сфера уменьшит свой объем на величину, равную объему пор. Объем пор равен произведению начального объема сферы на одинаковую для всех сфер величину пористости. Именно поэтому относительное изменение объема сферы до момента рождения первой капли не должно зависеть от ее начального размера. Ведь именно эта величина равна пористости. Из опытов и следовало, что относительное изменение объема снежной сферы не зависит от ее начального радиуса.

А теперь — немного стихов. Как-то мне попались на глаза такие строки о таянии снега:

...Что зима с землей ни делала,

Как ни била, как пи жгла —

Из-под снега, из-под белого

Снова речка потекла...

Стихи эти очень складные, но очень неточно отражают процесс таяния: «из-под снега, из-под белого» талая вода не течет. А вот строки из стихотворения Николая Заболоцкого «Оттепель»:

...Оттепель после метели.

Только утихла пурга,

Разом сугробы осели

И потемнели снега...

Из-под такого снега талая вода вскоре появится — вначале капля, а затем бурный весенний поток.

Весенняя капель

Много физических явлений связано с весенней капелью. Например, можно рассказать о закономерностях образования изумительной по совершенству и красоте «каплевидной» формы капли, готовящейся оторваться от тающей сосульки. Не могу объяснить почему, но форма набухающей капли мне представляется верхом геометрического совершенства. Разве лишь сфера может сравниться с ней по красоте и логической законченности формы. Можно рассказать о солнечных бликах, живущих на поверхности капли, которая набухает на кончике сосульки. Блики колеблются в ритме дыхания набухающей капли. Можно рассказать о весеннем звоне, который, по мысли поэта, сопровождает полет сосульки из зимы в весну. Звон капели звучит во многих стихотворных и музыкальных строчках, и, конечно же, следовало бы рассказать об акустике удара капли о поверхность воды или льда, покрытого водяным слоем. Капля разбивается на мелкие осколки, и каждый из осколков вносит свое звучание в весенний звон.

Много физических явлений связано с весенней капелью, а здесь рассказ лишь об одном из них — о том, что происходит в тот момент, когда набухшая капля отрывается от родившей ее сосульки. Обычно глаз этого явления не замечает, точнее — в глаза оно не бросается. А кинокамера помогла сделать его зримым, очевидным.

Перед нами две кинограммы, смонтированные из кадров ленты, на которую был заснят процесс отрыва капли от двух различных сосулек, одна из которых — поострее, а другая — потупее. Первые кадры на этих кинограммах практически одинаковы. Они рассказывают о том, что набухающая капля увеличивает свой объем и, двигаясь по направлению к земле, вытягивает тонкую перемычку — связующее звено между сосулькой и каплей. Затем капля от перемычки отрывается и свободно падает, а оставшаяся перемычка начинает изменять свою форму. Она укорачивается, утолщается в нижней части и в виде сформировавшейся капельки отрывается от сосульки. Итак, рождению каждой крупной капли сопутствует рождение еще одной маленькой капельки. Ее объем существенно, приблизительно в 100 раз, меньше объема первой капли, и, как правило, глаз ее не замечает.

Капелька, возникшая из перемычки, подпрыгнув, иногда возвращается к сосульке

Судьба маленькой капли оказывается очень неожиданной. Возникнув,она не летит вслед за падающей большой, а, наоборот, начинает двигаться вверх, по направлению к сосульке. Иногда это движение оканчивается тем, что малая капля достигает сосульки и как бы поглощается ею, а иной раз, немного переместившись вверх, она летит вниз вслед за большой.

Судьба маленькой капли зависит от того, какой толщины была перемычка, превратившаяся в капельку, а толщина перемычки зависит от того, насколько остра тающая сосулька. Капельки, возвращающиеся в сосульку, обычно рождаются сосульками остроконечными. Кинограммы потому и различаются последними кадрами, что они относятся к сосулькам с разным углом при вершине.

Попытаемся понять то, о чем рассказывают кинограммы. После отрыва большой капли с перемычкой происходят два процесса: первый — на ее конце формируется маленькая капелька; второй — капиллярными силами эта капелька подталкивается вверх. Эти силы не возникли бы, если бы капля была обособленной, ограниченной сферической поверхностью. В такой капле было бы лишь скомпенсированное давление всестороннего сжатия. Капля на кончике сосульки вверху не закрывается сферической поверхностью, и поэтому к противоположному участку ее поверхности приложена нескомпенсированная сила, обусловленная лапласовским давлением Рл; она-то и толкает каплю вверх.

А иногда она сосульки не достигает

В тот момент, когда маленькая капля, сформировавшись, отрывается от сосульки, она еще продолжает двигаться вверх. Достигнет или не достигнет она сосульки, зависит от ее массы, от соотношения между силой, толкнувшей каплю вверх (F ↑), и силой тяжести (F ↓), но некоторое движение вверх, как правило, наблюдается всегда.

Из перемычки, соединяющей каплю и жидкость в пипетке, образуется множество капель-сателлитов

Точно, с помощью формул, описать все происходящее с маленькой каплей очень не просто. Ограничимся приближенной оценкой. Сила, вынуждающая капельку падать вниз, определяется точно:

F ↓ = mg = 4/3 πR^3 ρg

А вот силу, толкающую каплю вверх F ↑, можно лишь грубо оценить, придав определенное значение диаметру перемычки, соединяющей капельку с сосулькой. Если R — радиус капли, r — радиус перемычки, а  Рл = 2α /R,  то F ↑ ≈  Рлπr^2 = 2απr^2 /R

Чтобы капелька начала двигаться вверх,необходимо выполнение условия F ↑ > F ↓. Из этого условия следует, что R^4 <    6α r^2 / 4ρg

Предположим, что R/r ≈ 10. Разумеется, не точно 10, но такого порядка. В этом случае вверх заведомо полетит капелька, радиус которой удовлетворяет условию:

R < 10-1 (6α /4ρg)1/2

Подставив в эту формулу значения констант (поверхностное натяжение α = 70 дин/см, плотность воды ρ = 1 г/см^3 и  g≈10^3см/сек^2), убедимся, что радиус капельки, летящей вверх, должен быть меньше, чем 0,3 мм. Именно такие капелькой запечатлены на кинограммах.

В заключение еще несколько слов о капельках , возникающих из перемычки, оставшейся после отрыва большой капли. Если источником большой капли является не конусная сосулька, а, скажем, плохо закрученный водопроводный кран или пипетка, может оказаться, что перемычка будет настолько длинной, что из нее образуется не одна, а несколько маленьких капелек. Эти капельки действительно наблюдаются. Оказывается, что та из них, которая ближе всех расположена к источнику воды, обязательно хоть немного движется вверх, а все остальные такой попытки не делают и следуют вниз за большой каплей. После рассказанного понять, почему так происходит,— легко.

Пятна на столе

Эти пятна — укор неаккуратному фотографу. Они остаются на столе в фотокомнате, если, во-первых, манипуляции с растворами проявителя проводить небрежно, разбрызгивать их и, во-вторых, если после окончания работы тщательно не вытереть стол, на котором осталось множество капель этих растворов. Эти капли высыхают и оставляют после себя пятна. Можно, впрочем, пятна стереть, но прежде стоит пристально в них вглядеться — это не обычные пятна! Отчетливо видно, что при высыхании капли растворенные в ней соли осаждаются не равномерным слоем, а в виде последовательности чередующихся колец. Быть может, это свойство солей, применяющихся в фотографии, а не капель и о них не стоит рассказывать в книжке, посвященной каплям? Давайте высушим раствор, нанесенный на стекло не в виде капли, а в виде равномерного тонкого слоя. Осадок есть, а колец нет! Значит, осадок в форме колец обусловлен тем, что высохла именно капля.

Чтобы проследить за тем, как образуется осадок в форме колец, процесс высыхания капель был заснят кинокамерой. Съемка производилась так. На предметном столике микроскопа — стеклышко, на нем — капля раствора сульфита, под ним — осветитель и слабый нагреватель, чтобы, подогрев стекло, можно было ускорить высыхание капли. На тубусе микроскопа — кинокамера, затвор которой автоматически щелкал каждые 30 сек. Съемку вели от момента, когда капля помещена на стекло, до ее полного высыхания.

Последовательность кадров фильма о высыхании капли раствора сульфита

Посмотрев ленту, можно убедиться в том, что капля высыхает скачкообразно. На неподвижных фотографиях эти скачки не видны, а на экране они видны великолепно. Вдоль периметра капли выпадают кристаллики осадка, и некоторое время диаметр капли остается неизменным. В какой-то момент он уменьшается, а затем стабилизируется, и вдоль периметра снова начинают выпадать кристаллики растворенной соли, образуя очередное кольцо в осадке.

Почему капля раствора высыхает так необычно? Казалось, терять бы ей постепенно влагу и также постепенно уменьшать свой объем. Быть может, так и происходит?

Объем уменьшается постепенно, монотонно, а скачкообразно, периодически изменяется форма капли?

Далее — рассказ об истинной причине скачкообразного перемещения периметра высыхающей капли. С каплей происходит следующее. Вода со всей ее поверхности испаряется равномерно. Легко понять, что по мере испарения влаги концентрация растворенной соли будет возрастать и раньше всего кристаллики начнут выпадать там, где избыточная концентрация соли будет наибольшей. Это будет в самой тонкой части капли, т. е. вдоль ее периметра. Именно вдоль периметра кристаллики и выпадут. Жидкость капли, смачивая выпадающие кристаллики, как бы приклеивается к ним. Поэтому капля, теряя жидкость, должна менять свою форму, становиться более плоской — ведь ее объем уменьшается, а периметр остается неизменным.

В начале процесса высыхания форма капли, лежащей на стекле, была равновесной. Это означает, что из всех возможных форм осуществилась та, при которой энергия поверхности, граничащей с воздухом и стеклом, — наименьшая при данном объеме капли. Но вот обстоятельства вынуждают испаряющуюся каплю изменять свою наиболее выгодную форму—и ее поверхностная энергия возрастает. Лук, стянутый тетивой, напрягается, если тетиву натягивать, придавать ей форму, против которой и тетива и лук «возражают». Нечто подобное происходит и с поверхностью высыхающей капли. Чем больше испаряется влаги, тем больше искажается форма капли, и на каком-то этапе капля оторвется от кристалликов на периметре и примет равновесную форму. А затем — все сначала: новые кристаллики вдоль периметра, изменение формы капли, отрыв капли от кристалликов и так далее, пока капля не испарится, оставив после себя пятно, состоящее из концентрических колец кристалликов соли. Именно такие пятна и остаются на столе в фотокомнате.

Невысыхающие капли

Правильнее было бы так: сохнущие, но не высыхающие капли. Никогда не высыхающие! С ними мы столкнулись случайно, изучая закономерности образования концентрических колец при высыхании капель раствора сульфита, и при  этом, естественно, заинтересовались, как изменяется рисунок пятна с изменением концентрации раствора. На стекле помещались капли раствора сульфита в воде различных концентраций, стекло подогревалось, капли высыхали, и на их месте оставались пятна. В этих опытах обнаружилось много любопытных закономерностей, о некоторых из них рассказано в предыдущем очерке о неаккуратном фотографе. Одно из любопытных наблюдений, сделанных в этих опытах, заключалось в том, что некоторые капли не образовывали пятен, а просто оставались на стекле. Вначале их размер немного уменьшался, а затем они оставались неизменными. Стеклышко, на котором они находились, подогревали, а капли продолжали оставаться неизменными. Это происходило с каплями растворов сульфита в воде, в которых сульфита было много — более 10%. Оказалось, что неиспаряющиеся капли вовсе не обычные жидкие капли — они покрыты панцирем из кристаллического сульфита. Под панцирем есть жидкость, но испаряться она не может — мешает панцирь.

Убедиться в том, что под панцирем жидкость, легко. На многих каплях панцирь тонкий и прозрачный, и если немного потрясти стеклышко с каплей, можно увидеть, как под панцирем колышется вода. А можно панцирь проколоть иголкой или раздавить его, и из-под панциря вытечет жидкость.

Естествен вопрос: как и почему высыхающая капля раствора покрывается панцирем? Происходит следующее. Испарение воды с поверхности капли приводит к тому, что в приповерхностном слое повышается концентрация растворенного вещества. Вначале кристаллики из пересыщенного раствора выпадут в самом тонком участке капли — вдоль ее периметра. Далее. Если бы избыточное вещество из приповерхностного слоя уходило в объем капли и неравномерность в распределении этого вещества сглаживалась, все могло бы происходить, например, так, как это описано в очерке о пятнах на столе в фотокомнате: капля исчезла бы, оставив после себя на стекле пятно, состоящее из совокупности колец. А вот когда концентрация растворенного вещества велика и испарение происходит быстро, избыточное вещество из приповерхностного слоя присоединяется к тем кристалликам, которые образовались вдоль периметра капли. Это приводит к росту кристаллов в область, где растворенное вещество в избытке, т. е. в приповерхностный слой, и на капле появляется кристаллический панцирь. В этом случае вещество, растворенное в капле, не остается в форме осадка на стекле, а образует своеобразный осадок — панцирь на поверхности капли.

Капля или, точнее, жидкость под панцирем может от панциря избавиться. Если температура окружающего пространства повысится, панцирь растворится в жидкости под ним и образуется свободная капля раствора. В ней, однако, концентрация соли будет больше, чем в исходной капле; ведь перед образованием панциря часть жидкости испарилась. При этой более высокой температуре все может повториться сначала: жидкость будет испаряться, и на капле образуется панцирь. На этот раз он должен быть потолще, а жидкости под ним меньше, чем в капле под панцирем до поднятия температуры. А быть может, и вообще жидкости не будет, если она успеет испариться до образования панциря. В этом случае, разумеется, панцирь — уже не панцирь, а просто осадок на стекле. Замена панциря осадком при какой-то температуре обязательно произойдет, и если наша цель — получить каплю с панцирем, надо высушивать ее при температуре более низкой, чем та, при которой на месте капли остается просто пятно.

А если каплю, покрытую панцирем, охлаждать, будет происходить иное: растворенное вещество из жидкости, оставшейся под панцирем, будет осаждаться на панцире. Панцирь утолстится, и жидкость под ним будет всегда. Можно добиться, чтобы под слоем кристаллического покрытия осталась чистейшая дистиллированная вода. Капля чистой воды, защищенная от высыхания!

С каплей, покрытой панцирем, никакие загадки не связаны — все ясно, объяснимо, предсказуемо. И все же, когда встречаешься с каплей, которая, как бы защищая себя от исчезновения, покрывается панцирем, невольно задумываешься над тем, как много неожиданных следствий могут обусловить абсолютно ясные причины.

ДОЖДЬ НАД РЕКОЙ

Не прячьтесь от дождя! Вам что, рубашка

Дороже, что ли, свежести земной?

В рубашке вас схоронят. Належитесь,

А вот такого яркого сверканья

Прохладных струй, что льются с неба,

Прозрачных струй, в себе дробящих солнце,

И пыль с травы смывающих,

И листья

Полощущих направо и налево,

Их вам увидеть будет не дано.

Владимир Солоухин

Капля-шарик и капля-парашют

Судьбы дождевых капель, летящих с неба на землю, настолько сложны и превратны, что рассказу о них можно было посвятить целую книгу. Иная капля, зародившись где-то в облаках и падая в теплых сухих слоях воздуха, может испариться, исчезнуть, не достигнув земли. Иная по дороге столкнется с подобной себе и, обретя в содружестве силу и массу, преодолеет все трудности пути, прольется дождем на землю. Иная капля, приспосабливаясь к противотоку воздуха, изменит свою форму. Еще многое другое, о чем в кратком очерке не расскажешь, может произойти с дождевой каплей на ее пути к земле.

При прочих неизменных условиях судьба летящей капли существенно зависит от ее массы. Поэтому, оставив без внимания капли промежуточных размеров, проследим за тем, что происходит с каплями маленькими и большими.

Однако вначале необходимо договориться, какие капли мы будем считать «маленькими», а какие «большими». В очерке об опыте Плато мы обсуждали вопрос о «маленькой» капле, лежащей на твердой подложке, и выяснили, что в этих условиях «маленькой» следует считать такую каплю, у которой лапласовское давление успешно борется с давлением, обусловленным ее тяжестью, и поэтому капля остается почти сферической. Видимо, подобный критерий надо применить и к дождевой капле, но только при этом с лапласовским давлением (Рл), стремящимся сохранить сферическую форму капли, надо сравнивать деформирующее давление (Рυ), обусловленное сопротивлением, которое оказывает летящей капле воздух. Если Рл>>Рυ,            капля сохранит форму шарика и мы будем ее считать «маленькой», а если Рл< < Рυ, капля будет сильно деформироваться давлением Рυ и ее мы будем считать

«большой». Рл нам известно, оно равняется 2α/R, а вот вычислить Рυ — задача непростая. Для нас, однако, важно лишь знать, что Рυ растет с R и поэтому должны существовать такие размеры, при которых выполняются два предельных неравенства между Рл и Рυ, явившиеся для нас основанием делить капли на «маленькие» и «большие».

Расчет приводит к тому, что к числу «маленьких» надо относить капли, размер которых порядка десятков микрон, а к числу «больших» те, радиус которых порядка миллиметров.

Теперь о полете маленькой капли, которая, падая, сохраняет форму шарика. Если с ее формой ничего не происходит и шарик остается шариком, то о движении капли лучше говорить так: воздух, двигаясь снизу вверх, вязко обтекает водяной шарик. Попробуем вычислить скорость, с которой при этом водяной шарик — капля — приближается к земле.

Начнем с примера, который имеет прямое отношение к нашей задаче о вязком обтекании воздухом капли. Допустим, к нити из вязкого вещества — смолы или разогретого стекла — прикреплен грузик, под действием которого нить будет удлиняться, вязко течь. Очевидно, ее удлинение (Δl) будет тем большим, чем длиннее нить (l), больше время течения (t), больше нагрузка, приложенная к нити (Р), и меньше вязкость (η) вещества, из которого она изготовлена. Сказанное можно записать в виде формулы

Δl =lPt/η,

из которой следует, что скорость удлинения  υ = Δl /t= lP/η

Возвратимся теперь к вопросу о вязком обтекании воздухом капли-шарика. Этот процесс должен подчиняться тому же закону, что и вязкое течение нити. Различие заключается лишь в том, что в одном случае течет смола или стекло, а в другом — воздух. Важно, что в обоих случаях имеет место вязкое течение. Обратим, однако, внимание на то, что в интересующей нас задаче характерный размер — не длина нити, а радиус шарика R и что напряжение Р пропорционально отношению силы F, тянущей шарик, к площади его сечения, т. е Р≈F/πR^2  .Применительно к шарику формулу, определяющую скорость, можно переписать в виде: υ ≈ F/Rη . Мы воспользовались знаком «пропорционально» потому, что не учли конкретной геометрии потока воздуха вокруг шарика. Точный расчет приводит к формуле, которая от нашей отличается лишь множителем 1/6 .π, и таким образом:

υ= F/ 6πRη

Обсудим величину F.

Если бы шарик падал в вакууме, то

F = F↓= mg =4/3πR^3ρg.

Так как шарик находится в воздухе, то на него действует и архимедова сила F↑, которая направлена противоположно F↓ и определяется той же формулой, что и F↓, только величину ρ — плотность вещества шарика нужно заменить величиной ρo — плотностью воздуха. Вот теперь можно записать интересующую нас формулу в окончательном виде:

υ = 1(F↓ - F↑)/6πRη = 2/9. gR2. (ρ - ρo)/ η

Эту формулу называют формулой Стокса. Нам она позже понадобится.

Вычислим скорость падения маленькой дождевой капли. Допустим, что ее размер R ≈ 10-1 см. Так как g ≈ 10^3 см/сек^2, η ≈ 2.10-2 г/см.сек (пуаз), ρ = 1 г/см^3, ρo = 1,2.10-3 г/см^3, то υ ≈ 10^2 см/сек.

Итак, мы выяснили, что маленькие капли летят со скоростью, пропорциональной квадрату их радиуса, и что величина этой скорости порядка 100 см за секунду. Если маленькая капля зародилась в облаке, которое плавает над землей на высоте около километра, и если ничто не помешает ей себя сохранить в полете, до земли ей лететь долго — около 15 мин. Еще раз подчеркнем — рассказанное о маленькой дождевой капле справедливо при соблюдении очень важной оговорки: если капля сохранит себя в целости на протяжении всего времени полета от облака до земли. И еще одна оговорка: все рассказанное о скорости полета капли относится к установившемуся, или, как говорят физики, стационарному, режиму. В самом начале полета капля двигалась ускоренно, пока не достигла стационарной скорости.

Так во время полета изменяется форма крупной капли, падающей в воздухе

Теперь о больших каплях. Речь идет о каплях крупных, размер которых достигает нескольких миллиметров. Такие капли иногда образуются в искусственных условиях, например при распаде струй, а иногда и в условиях естественного дождя. С ними происходит вот что.

Большая капля, встречая при падении сопротивление воздуха, расплющивается (Рυ >>Рл !!!). Плоская водяная лепешка, летящая в воздухе, надувается им и становится подобна парашюту. По мере того как этот миниатюрный водяной парашютик раздувается воздухом, образующая его пленка становится все тоньше и в конце концов рвется, прокалывается воздушной струей. И тогда она распадается на мелкие капли, у которых уже своя судьба.

В американском «Журнале прикладной физики» (J. Аррl. Рhis., 1956, V. 27, N 10) Мегарвей и Тейлор опубликовали великолепную подборку фотографий летящих больших капель. Каждая фотография была сделана в момент мгновенной вспышки яркого света. Они отлично иллюстрируют рассказанное.

Если разрушение большой капли произошло в дождевом потоке, некоторые из образовавшихся маленьких капель испарятся, не долетев до земли, а иные сами, или слившись с себе подобными, одолеют этот путь. А быть может, некоторые из мелких капель, возникших при разрушении капли-парашюта, столкнутся с другими каплями, сольются с ними и примут участие в сотворении нового парашютика. Так тоже бывает.

Капля падает на жидкость

Это случалось видеть всем во время дождя, который застал вас у реки, или еще лучше в реке во время купания, или просто когда дождевые капли стучат по лужам: поверхность воды начинает волноваться и возникают брызги. Точнее проследить трудно — все происходит с такой скоростью, что глаз не успевает заметить и запомнить детали. Поэтому и видится момент падения водяной капли на поверхность воды различным людям по-разному.

Зорче иных обязаны видеть художники, пишущие кистью или пером. И у каждого художника особая, ему свойственная острота взгляда.

Поэт Леонид Темин о дожде, о падении дождевой капли, пишет так:

...Дождя косые линии

Весь мир перечеркнули,

И водяные лилии

По лужам вверх взметнули...

А поэт Дмитрий Кедрин в стихотворении «Приглашение на дачу» это же событие описывает совершенно по-другому:

...Итак, приезжайте к нам завтра, не позже,

У нас васильки собирай хоть охапкой,

Вчера здесь прошел замечательный дождик —

Серебряный гвоздик с алмазною шляпкой...

Оба поэта смотрели на одно и то же: как падает дождевая капля на поверхность лужицы. Но одному при этом представлялась лилия, а другому — гвоздик c алмазною шляпкой.

Что общего между острым гвоздем, даже тем, у которого шляпка из алмаза, и лилией, плавающей на поверхности воды? Лилия могла бы напомнить широкополую шляпу или красочный зонтик, но гвоздь! Между тем многим писателям и поэтам виделся именно гвоздик во время дождя над рекой. Помните, у Некрасова:

...Светлые, словно из стали,

Тысячью мелких гвоздей

Шляпками вниз поскакали...,

а через много лет у Бунина:

...Вот капля, как шляпка гвоздя,

упала, и сотнями игл

затоны прудов бороздя,

сверкающий ливень запрыгал...

Вот, например, как много интересного увидел во время дождя на реке один из самых тонких наблюдателей природы писатель Константин Паустовский: «...особенно хорош спорый дождь на реке. Каждая капля выбивает в воде круглое углубление, маленькую водяную чашу, подскакивает, снова падает и несколько мгновений, прежде чем исчезнуть, еще видна на дне этой водяной чаши. Капля блестит и похожа на жемчуг...»

Много неожиданных и совершенно различных образов вызвала дождинка, падающая на поверхность воды: и гвоздик, и лилия, и блестящая жемчужина.

В действительности, если падение капли на воду наблюдать с помощью скоростной кинокамеры — прибора более бесстрастного, чем глаз художниками обладающего большей «разрешающей способностью», все происходит так, как это изображено на приводимой кинограмме. Эта кинограмма была снята со скоростью две тысячи кадров в секунду. Оказывается, что действительно сразу после падения капли на поверхность воды возникает симметричный водяной цветок — водяная лилия. Вскоре цветок увядает и лишается своих лепестков, а затем в центре опавшей лилии вырастает водяной столбик, вершина которого имеет форму сферической капли,— «серебряный гвоздик с алмазною шляпкой».

Кинограмма, смонтированная из кадров скоростного фильма о падении водяной капли на поверхность воды

На поверхности капли бегают блики, и капля действительно напоминает жемчужину, увиденную Паустовским. Затем столбик погружается в воду, образует воронку, из которой опять вырастает столбик, только уже потоньше первого, и перед тем как погрузиться в воду, он разбивается на множество мелких капель. Воронка и гвоздик чередуются несколько раз.

Правыми оказались и Темин, и Кедрин, и Паустовский, так по-разному увидевшие падение дождевой капли на поверхность лужицы. Примечательно, что каждый из них увидел и художественно осмыслил различные последовательные стадии процесса: Темин — начальную, Кедрин — промежуточную, Паустовский — заключительную.

Как же объяснить все то, что запечатлела кинокамера? Представим себе, что на натянутую резиновую мембрану с некоторой высоты падает металлический шарик, щедро смазанный клеем. После того, как он достигнет поверхности мембраны, произойдет следующее. Мембрана под влиянием ударившегося о ее поверхность шарика прогнется, затем, дополнительно натянувшись при прогибе, она начнет выравниваться, подбрасывая шарик кверху, сообщив ему при этом часть той энергии, которую мембрана получила от шарика, упавшего на нее. Так как шарик, соприкоснувшись с мембраной, приклеился к ней, взлетая вверх, он потянет за собой и мембрану; при этом образуется тянущийся за шариком полый резиновый стержень. А затем шарик начнет двигаться вниз, и все повторится снова.

При падении капли на поверхность воды происходит нечто подобное, однако многие детали процесса моделью шарик — мембрана не описываются. Падающий шарик создает в мембране просто углубление, а дождинка кроме углубления создает также множество мелких капель-осколков; симметрично разлетающихся в разные стороны. Именно это и заметил Темин, которому совокупность брызг представилась водяной лилией. А следующий за брызгами всплеск воды, подобный полому резиновому стержню, тянущемуся за железным шариком, Кедрину представился серебряным гвоздиком с алмазною шляпкой. В модели шарик — мембрана деталь, увиденная Паустовским, отсутствует. Высокий и тонкий водяной стержень завершается каплей или несколькими каплями по той же причине, по которой тонкая водяная нитка, от которой отрывается крупная капля, разбивается на множество маленьких капель — сателлитов. Цилиндрическая форма жидкости невыгодна или, лучше так,— менее выгодна, чем сферическая, и поэтому цилиндр распадается па капли; самую крупную из них Паустовский заметил в тот момент, когда она погружалась в возникавшую под ней водяную чашу. Эта капля и напомнила Паустовскому блестящую жемчужину.

Высота гвоздика, время, необходимое, чтобы он возник и опал, определяются не только тем, какого размера была дождинка и с какой высоты она упала, но и тем, каковы физические свойства воды — ее вязкость и поверхностная энергия. Кинокадры свидетельствуют о том, что «гвоздик», высота которого около пяти сантиметров, вырастает и опадает приблизительно за сотую долю секунды. Приблизительно эта величина и получится, если вязкость воды разделить на ее поверхностную энергию и умножить на высоту гвоздика,— именно так надо поступать, чтобы вычислить интересующее нас время.

Поскольку процессы, которые происходят вслед за падением дождинки на воду, зависят от вязкости и поверхностного натяжения воды, видимо, они должны выглядеть по-иному, если дождинка и лужа будут не водяными, а, скажем, глицериновыми. У глицерина вязкость значительно больше, и это, наверное, скажется и на лилии, и на гвоздике, и на жемчужине. Но об этом — в другом очерке,

Я совсем не хочу, чтобы рассказанное здесь было воспринято как предложение пользоваться скоростной кинокамерой или иным физическим прибором для исследования достоверности поэтических образов или в качестве арбитра в затянувшемся споре между «физиками» и «лириками». Просто воспользовался стихами и скоростной кинокамерой, чтобы рассказать о явлении, на которое все смотрели и все видели по-разному.

Капля на кончике иглы

В английском журнале «Физика и химия поверхности» была помещена подборка фотографий, изображающих последовательность форм, которые принимает очень тонкая коническая вольфрамовая игла, если в течение длительного времени ее выдерживать при высокой температуре.

Оказывается, что со временем на кончике иглы формируются шарики — капли.

В нашей лаборатории были получены очень похожие фотографии, но иглы, с которыми мы экспериментировали, были не из вольфрама, и вообще не из металла, а из воды. О них рассказано в очерке «Капля падает на жидкость».

Иглы вольфрама, распадающиеся на капли, очень напоминают водяные иглы

Я сравнил фотографии и поразился общности явления в жидких иглах воды и в кристаллических иглах вольфрама — самого тугоплавкого из всех металлов. Получилось очень убедительное доказательство справедливости физической идеи, согласно которой кристаллические тела, подобно жидким, могут вязко течь. То, что вязкость кристаллов несравненно более высока, чем вязкость жидкости,— обстоятельство важное, но в принципе существо дела оно не должно менять. Важно, что и кристалл и жидкость могут вязко течь и подобные по форме тела должны деформироваться, подчиняясь общим законам. Эта идея в физику вошла прочно; она, например, лежит в основе физической теории спекания кристаллических порошков, согласно которой кристаллические крупинки «сливаются», подобно капелькам жидкости.

Описано много опытов, в которых исследовалось вязкое течение кристаллов. Ученые растягивали кристаллические нити, гнули кристаллические пластинки и всякий раз убеждались в том, что при высоких температурах и под влиянием малых нагрузок кристаллы текут, подчиняясь тем же законам, что и жидкости.

А распадающиеся на капли водяные иглы очень напоминают вольфрамовые

И все же нельзя не удивиться, сопоставив фотографии вольфрамовых и водяных игл, настолько убедительно это сопоставление свидетельствует о «текучести» кристаллического тела: научный доклад в аудитории специалистов, посвященный изложению экспериментального доказательства справедливости идеи о принципиальной возможности вязкого течения кристаллов, можно было бы свести к жесту

указкой в сторону этих фотографий и к краткому рассказу об условиях, в которых они были получены.

Специально заточенные вольфрамовые иглы, которые вблизи вершины имели диаметр около 0,1 микрона, в течение нескольких часов выдерживались в электронном микроскопе при температуре 2600° С, и с помощью этого же микроскопа их профиль периодически фотографировался.

Водяные иглы возникали самопроизвольно после падения капли на поверхность воды. Диаметр такой иглы равен нескольким миллиметрам. Деформировалась она быстро, за время около сотой секунды, и поэтому различные стадии процесса снимались скоростной кинокамерой. Огромное различие в вязкости воды и вольфрама и проявляется в том, что распад соответствующих игл на капли происходит при резко отличных условиях: диаметр водяной иглы — миллиметры, время распада — сотая секунды при температуре 20° С; диаметр вольфрамовой иглы — десятая микрона, время распада — часы при температуре 2600° С.

Фотографии рассказывают об одном и том же; о том, что и вольфрамовая и водяная иглы со временем изменяют свою форму так, чтобы их поверхность уменьшалась и вместе с ней уменьшалась поверхностная энергия. Самый большой выигрыш наступил бы после превращения иглы в шар, так как из всех тел с определенным объемом минимальной поверхностью обладает именно шар. Но для превращения иглы в шар вещество иглы должно перемещаться на расстояние, приблизительно равное ее длине, что очень трудно осуществимо, а поэтому игла довольствуется меньшим выигрышем энергии: образуя перетяжки, она разбивается на много шариков-капелек. Этот выигрыш энергии более доступен, так как для распада на несколько капель вещество иглы должно переместиться на расстояние, приблизительно равное диаметру иглы, а оно существенно короче длины. Наиболее быстро этот процесс завершается в самом тонком месте иглы — у ее кончика.

Вот, пожалуй, все, что я хотел рассказать о фотографиях вольфрамовых и водяных игл и о каплях, на которые они распадаются.

Антидождь

Водяные капли, падающие в воздухе вниз,— это дождь. Так сказать, положительный дождь. Очевидно, антидождь, или отрицательный дождь,— это воздушные капли, поднимающиеся вверх в воде. Все наоборот: не водяные капли, а воздушные, не в воздухе, а в воде, не вниз, а вверх. Такой своеобразный дождь можно наблюдать в аквариуме, когда его продувают воздухом. Во время дождя, падающего на поверхность воды, на воде появляются и лопаются воздушные пузырьки. Капля, падая на воду, образует воронку, которая, захлопываясь, превращается в пузырек, подскакивающий кверху, т. е. в каплю отрицательного дождя.

Отрицательный дождь появляется и в том случае, если на дне реки происходят какие-либо реакции с выделением газа. В металлургии процесс обогащения основан на таком же принципе: частицы пустой породы, приклеившись к поверхности всплывающего пузырька, уходят впену. Словом, стоит поинтересоваться, как «падают» вверх капли антидождя. Отрицательный дождь лучше всего наблюдать с помощью скоростной камеры, которая заметит детали, ускользающие от глаза. Фильм об отрицательном дожде снимался при небольшой частоте кадров — около ста в секунду, что всего в 4 раза быстрее обычных съемок, но и при этом мы увидели много красивых деталей процесса.

Глазок кинокамеры через стекло аквариума следил за одиночными пузырьками, которые рождались на кончике стеклянной трубки, соединенной с надутой резиновой камерой волейбольного мяча. Подачу воздуха можно было регулировать, задавая, таким образом, частоту отрыва пузырьков от конца стеклянной трубки. Линейка с делениями, установленная рядом с всплывающим пузырьком, и секундомер позволили не только качественно наблюдать, что происходит с воздушным пузырьком, но и измерить скорость его всплывания.

Всплывающий пузырек, прокалывая себя, превращается в бублик

Из отснятых эпизодов первый был посвящен процессу отрыва пузырька от конца широкой трубки с сантиметровым отверстием. Перед отрывом образовавшийся на кончике трубки пузырек имел диаметр около полутора сантиметров. В момент отрыва произошло нечто совершенно неожиданное. Оказалось, что пузырек не остается пузырьком в обычном смысле слова: нижняя часть его поверхности устремляется к верхней и слипается с ней, а затем слипшиеся поверхности продолжают стремительно двигаться вверх, придавая некогда почти сферическому пузырьку форму конуса. Вершина этого конуса в какой-то момент прорывается, и пузырек приобретает форму бублика — иногда замкнутого, а иногда надломанного. И так повторяется с каждым последующим пузырьком воздуха в воде.

Маленький пузырек, всплывая, совершает периодические колебания

Быть может, так изменяется форма не любого пузырька, а лишь рождающегося большим? Предположив это, мы решили заснять второй эпизод: момент отрыва воздушного пузырька в воде от тонкой трубки, не сантиметровой, а трехмиллиметровой, а затем и миллиметровой.

В опытах с пузырьком, оторвавшимся от трехмиллиметровой трубки, вначале происходило то же, что и с полуторасантиметровым: его нижняя поверхность устремилась навстречу верхней и начал образовываться конус. Однако далее события разворачивались по-иному. Конус не прорвался, и бублика не возникло, а через некоторое время его движение обратилось вспять: верхняя поверхность оттолкнула от себя нижнюю и последовала за ней. Движущийся пузырек начал колебаться. Это происходило во время всего движения, вплоть до того момента, когда он достиг поверхности воды.

Затем отсняли третий эпизод. От первых двух он отличался только диаметром трубки — она равнялась миллиметру. Пузырьки, рождавшиеся на конце такой трубки, отличались своей судьбой от предыдущих. Оторвавшись от трубки, они сохраняли почти сферическую форму на всем пути до поверхности воды. Впрочем, и они совершали колебательные движения, которых непосредственно глазом — ни в натуре, ни на экране — мы не заметили. Эти колебания обнаружились лишь после того, когда с помощью точного измерителя длины на большой последовательности кинокадров были измерены размеры пузырька в направлении его движения и в перпендикулярном направлении. Оказалось, что небольшие колебания происходят с большей частотой, чем у пузырька, вышедшего из трехмиллиметровой трубки.

Попытаемся разобраться в происходящем. Общая особенность, характерная для всех трех типов воздушных пузырьков, выдутых из трех трубок разных диаметров, заключается в том, что, двигаясь, они колеблются. Амплитуда этих колебаний оказывается тем большей, чем больше размер пузырька. У самого крупного амплитуда оказалась настолько большой, что при первом же колебании пузырь прорвался, как бы сам себя проколол, и превратился в бублик. А пузырьки поменьше колеблются с меньшими амплитудами и сохраняют свою целостность.

В чем причина возникновения колебаний, кто их провоцирует, как они поддерживаются? Ответ подсказывают кадры первого из отснятых эпизодов. На них отчетливо видно, что снизу вода устремляется в объем оторвавшегося пузыря. Снизу потому, что именно здесь давление воды максимально. В этот момент форма пузыря искажается, перестает быть сферической, а значит, ее поверхность увеличивается. Естественно, пузырь начинает бороться с этим насилием, стремясь вернуть себе сферическую форму. Колебания возникают в конкурентной борьбе: разность давлений вверху и внизу пузыря искажает форму, а его стремление к уменьшению собственной поверхности эту форму восстанавливает.

Пользуясь понятием о лапласовском и гидростатическом давлениях, можно об этой борьбе рассказать так: разность гидростатических давлений, которая пропорциональна диаметру пузыря, деформирует пузырь, а лапласовское давление, обратно пропорциональное диаметру пузыря, восстанавливает форму. Вот почему чем меньше пузырь, тем меньше размах колебаний. Ведь с уменьшением его размера деформирующее давление уменьшается, а восстанавливающее растет.

Колебания пузыря происходят в воде. Грамотнее говорить так: колеблется не пузырь, а вода вблизи области, где она отсутствует и которую мы называем пузырем. А если дело обстоит так, то время, в течение которого происходит одно колебание (τ), должно зависеть от свойств воды — вязкости (η) и поверхностного натяжения (α). Кроме того, период должен зависеть и от размера пузыря (R). Оказывается, что во всех этих зависимостях действует самый простой закон «чем — тем»: чем больше вязкость — тем больше время, чем больше поверхностное натяжение — тем меньше время, чем больше размер — тем больше время. Формула, выражающая эти зависимости, выглядит так:

τ  ≈ Rη/ α

Эта формула — единственно возможная комбинация величин, от которых зависит τ, имеющая размерность времени.

Кадры кинофильмов хорошо подтверждают эту закономерность. Из кинофильмов мы заимствовали сведения о величинах τ и R и по формуле вычисляли отношение η/α. Если теперь из таблиц физических констант заимствовать η, можно определить α, если заимствовать α — можно определить η. И α и η оказывались вполне разумными.

Был отснят еще один любопытный эпизод, о котором стоит рассказать. Кинокамера следила за тем, что происходит, когда пузырек — капля отрицательного дождя — падает на границу раздела между водой и воздухом. События, которые при этом разыгрываются, тоже зависят от размера пузыря. Крупный пузырь вздувается над поверхностью воды, при этом большая полусферическая арка из тонкой водяной пленочки оказывается нежизнеспособной и почти мгновенно лопается. Пузырь поменьше оказывается более жизнеспособным: хорошо видно, как постепенно меняется его форма, пока не становится равновесной. Некоторое время такой пузырь живет, а затем лопается либо вследствие обстоятельств случайных — то ли села на него пылинка, то ли порвал его слабый ветерок, либо оттого, что жидкость с верхней части пузыря стекла к его подножию. Иная судьба у маленьких пузырьков, образовавшихся на кончике миллиметровой трубки. Прикасаясь к границе раздела, они немного деформируют ее, приклеиваются к ней и, почти полностью находясь в воде, сохраняются надолго.

И наконец, еще одно наблюдение. Большие пузыри всплывают очень быстро, а маленькие движутся медленно — все, как в настоящем дожде. И, как в настоящем дожде, крупные пузыри — капли — догоняют мелкие и поглощают их. В этом следует усматривать еще одно основание для того, чтобы пузыри, всплывающие в воде, назвать антидождем. А то, что из капель такого дождя не образуются лужи,— аналогии не помеха. Ведь капли настоящего дождя на поверхности реки тоже луж не создают ...

«Капля камень долбит»

Известно, что «капля камень долбит» — ив переносном и в прямом смысле слова. В одном крымском селе я видел лежавшую у дома под крышей глыбу камня ракушечника, которая на полуметровую глубину была разрезана водяными каплями, падавшими во время дождя с крыши. Жестяная крыша оканчивалась ровной кромкой, и продолбленная каплями прорезь вкамне эту кромку повторяла. В камне попрочнее каплям, возможно, не удалось бы сделать такую глубокую прорезь, а ракушечник — хрупкий и сыпучий — поддался, и вода разрезала его почти надвое.

Откуда у жидких, «мягких» капель эта способность долбить камень? Впрочем, быть может, это иллюзия, что вода во всех случаях жизни мягкая? Ведь если плашмя упасть на воду, можно убедиться, что она совсем не так уж мягка. А рука, медленно движущаяся в воде, свидетельствует об ином: вода легко расступается, уступая ей место. Одна и та же вода в одном опыте оказывается совсем не мягкой, а в другом — ее мягкость вне сомнений.

Видимо, надо договориться о понятии слова «мягкий», вложить в него определенный физический смысл. Если мы каким-то движущимся предметом прилагаем усилие к некоторому телу и это тело послушно меняет свою форму, успевая следовать за движущимся предметом, мы говорим, что тело «мягкое». Уйдем от общих слов и будем рассуждать конкретнее. Пусть «движущийся предмет» — наша рука, а «некоторое тело» — вода. Если рука движется в воде медленно — вода мягкая, если же быстрым движением ударить рукой по воде — ощущается боль, несовместимая с представлением о мягкости. Все дело в том, как успевает вода следовать за движением руки. Вода имеет вязкость, и поэтому скорость ее реакции на движущуюся руку ограничена, она не успевает следовать за «быстрой» рукой, препятствует ее движению, и в этом случае ощущение мягкости воды исчезает: в момент удара по ней она ведет себя подобно твердому телу.

Вернемся к каплям, падающим с крыши на глыбу ракушечника, что лежит под ней.

Попробуем разобраться, что происходит с каплей, падающей на твердую поверхность. Вначале — о силе удара или, лучше, о давлении па поверхность, возникающем вследствие удара капли о нее. Чтобы это давление оценить, удобно представить себе не летящую каплю, а цилиндрическую струю, которая на своем пути встречает поверхность твердого тела. В оценке, которую мы получим, характеристики формы струи нет, поэтому она будет годна и для капли.

При внезапном столкновении струи с преградой последняя испытывает на себе действие так называемого гидродинамического удара. За этим научным термином стоит, в сущности, простое физическое явление: в момент столкновения струи с преградой в струе в направлении, противоположном ее движению, начинает распространяться волна торможения. Наглядную иллюстрацию этому дал профессор Г. И. Покровский в своей книге «Гидродинамические механизмы». Он обратил внимание па внешнюю аналогию между заторможенной струей и потоком автомашин, внезапно остановленным вспышкой красного света: у светофора возникает скопление машин, которое будет распространяться прочь от светофора, навстречу заторможенному потоку. Следует подчеркнуть, что сигнал о том, что поток автомобилей заторможен, движется со скоростью, меньшей скорости их движения, а волна торможения в струе движется со скоростью звука в воде, которая равна с = 1,5 •10^5 см/сек. и, конечно же, больше скорости капли, падающей с крыши.

Вспомним о том, что согласно закону Ньютона сила (F) есть произведение массы (т) на ускорение (а), которое, как известно, является отношением изменения скорости (Δυ) к времени (τ), в течение которого оно произошло. Этот закон можно записать в виде формулы:

Fτ = mΔυ.

Масса струи, заторможенная за время τ, очевидно, равна т =cτsρ, где s — сечение струи, а ρ — плотность жидкости. Так как изменение скорости остановленной струи равно скорости ее движения, то закон Ньютона можно переписать в форме, определяющей давление Р = F/s которое мы ищем:

Р = ρυс.

Как и было обещано, полученная формула не содержит ни длины, ни сечения струи и ею можно пользоваться применительно к капле.

В полученной формуле рис известны, а величину V следует обсудить. Интуиция подсказывает, что, когда скорость капли мала, близка к нулю, гидродинамического удара в полной мере не произойдет. Капля расплющится, растечется по поверхности, не ударив ее.

Можно оценить наименьшую скорость, при которой произойдет удар. Для этого, видимо, необходимо, чтобы за время удара капля не успела существенно расплющиться.

Чтобы капля в момент падения на камень вела себя подобно твердому шарику, необходимо, чтобы время ее расплющивания (τр) было больше времени, в течение которого происходит удар (τу) : τр>τу. Время τр близко к времени, в течение которого совершается одно колебание свободно летящей капли или воздушного пузырька, всплывающего в воде. С оценкой этого времени мы уже встречались:

τр~ Rη/α

А время τу можно оценить как отношение радиуса капли к скорости ее полета в момент падения на поверхность камня:

τу ≈ R/ υ

Приблизительно за это время

верхняя точка капли может долететь до камня, после того как нижняя точка его уже коснулась.

Теперь из условия τр≈ τу легко оценить величину скорости падения капли, при которой она сможет «долбить камень». Эта скорость должна удовлетворять условию

υ  ≈ α/η. При такой скорости давление, возникающее в момент удара, будет Р = ρсα/η. Так как

ρ = 1г/см^3, η= 0,1 г/см-сек, α=70 дин/см,

то Р ≈ 10^8 дин/см^2 ≈ 10^2 кг/см^2. Многократно прикладываемое, такое давление способно разрушить хрупкий ракушечник.

Пожалуй, интересней знать не скорость, с которой капля падает на камень-ракушечник, а высоту дома, у которого он лежит. Так как капля, оторвавшаяся от кромки крыши, падала свободно, высота дома и конечная скорость капли связаны простым и хорошо известным соотношением:

h ≈ gt^2/2

Очевидно, с учетом найденного выражения для υ         интересующая нас высота дома должна удовлетворять условию:

h ≈ υ^2/ 2g = 1/2g.(α/η)2

Сделаем численную оценку h. Вязкость воды η~ 0,1 г/см-сек, поверхностное натяжение α = 70 дин/см, g ~ 10^3 см/сек^2, следовательно, высота дома должна быть около 2,5—3 метров. Все эти вычисления, конечно же, приближенные, и все же результат получился разумный — одноэтажный сельский домик именно такую высоту обычно и имеет.

В приближенном расчете мы предположили, что, оторвавшись от кромки крыши, капля долетает до ракушечника, не успев войти в «стационарный режим», когда ее скорость перестает изменяться со временем. Надежного права так считать у нас нет. Нас может извинить лишь получившаяся в расчете разумная оценка высоты дома, достаточно низкого, чтобы «стационарный режим» не успел наступить. А мог бы расчет оказаться и не благополучным, если бы ракушечник лежал не возле деревенского домика, а возле городского небоскреба ...

Последняя формула дает возможность сделать любопытное предсказание. Если бы мы жили в мире глицериновых дождей, капли, падающие с меньшей высоты, чем водяные, приобретали бы способность долбить камень. Объясняется это большей вязкостью глицерина, а величина вязкости стоит в знаменателе формулы.

Водяная корона

Падение первой капли воды на сухое стекло

Речь пойдет не о царских коронах, а о короне, которая возникает, чтобы тут же исчезнуть, когда капля жидкости падает на твердую поверхность. Живет она один миг, но красота ее ничуть не уступает красоте настоящих корон, украшенных жемчугом и изумрудами.

Капля, как известно, камень долбит. А что при этом с ней происходит? Неужели она, нанеся камню удар, остается неповрежденной?

Рассмотрим внимательно две кинограммы. Одна из них смонтирована из кадров фильма, в котором заснят процесс падения капли на сухую поверхность стекла. Вторая — из кадров фильма, в котором заснята вторая капля, падающая в лужицу, образованную первой каплей.

Первая капля, коснувшись поверхности сухого стекла, расплющивается и за короткое время превращается в лепешку, контур которой почти резко очерчен. Если экспериментировать с водяной каплей диаметром один-два миллиметра и посылать ее на стекло с высоты один — полтора метра, то контур образовавшейся лепешки будет близок к окружности. Так деформируется первая капля, потому что та часть жидкости, которая соприкасается с сухим стеклом, практически перестает двигаться, как бы сращиваясь с поверхностью. Все происходит почти так, как если бы мы ударом молотка расплющили на плоской поверхности шарик из пластилина.

Падение второй капли воды на лужицу» оставленную на стекле первой каплей

Вторая капля, а тем более третья и последующие оказываются в условиях существенно иных. Между второй

каплей и твердой поверхностью имеется жидкая прослойка, своеобразная смазка, благодаря которой жидкость второй капли легко растекается от места падения. В тех случаях, когда скорость движения растекающейся жидкости, зависящая от ее вязкости, не превосходит скорости падения капли — а именно так чаще всего бывает, и именно в этих случаях образуется корона — капля, растекаясь по жидкой прослойке, приобретает своеобразную форму.

Если бы на поверхность стекла падала не капля жидкости, а упругий шарик, он, не растекаясь, отразился бы от стекла и унес с собой принадлежащую ему энергию. И водяной капле надлежало бы отразиться, подобно упругому шарику, но только, прежде чем она это сделает, ее сферическая форма меняется: капля приобретает вид кольцевого гребня, разбегающегося от места удара. Из этого гребня и воды лужицы вздымается жидкая пленка, распадаясь на отдельные стерженьки, которые в свою очередь распадаются на капли,— это и есть корона. Если бы капля была из жидкости более вязкой, чем вода, короны могло бы и не возникнуть. Энергия падающей капли погасилась бы при растекании гребня и ее не хватило бы на создание всплеска, стерженьков и капель. Глицериновые капли — ни первая, ни вторая, ни последующие — короны не создают. Это отчетливо видно на приводимой кинограмме.

Капля молока, упавшая в блюдце, смоченное молоком

Здесь, пожалуй, уместно рассказать еще об одном красивом творении из воды — подобии короны, возникающей, когда металлический шарик с большой высоты падает в воду. В момент погружения шарик выталкивает цилиндрическую пленку воды, которая распадается на симметрично расположенные стерженьки и капли. Все это хорошо видно на кинограмме, заимствованной нами из американского журнала.

Красота обеих корон — и той, что создается каплей, и той, что возникает при падении шарика,— очень недолговечна. Зная частоту, с которой производилась съемка, и посчитав соответствующие кадры, можно установить, что водяная корона от момента зарождения до момента распада живет доли секунды. После этого она разрушается, теряет симметрию и красоту.

Элементарная теория разрушения водяного пузыря

В книжке о капле вполне уместен рассказ о водяном пузыре, поскольку пузырь может возникнуть из падающих на воду капель, а лопнув, обращается снова в капли.

Прежде чем рассказывать о фактах, попытаемся построить элементарную теорию разрушения пузыря, возникшего во время дождя на поверхности реки или с помощью соломинки выдутого из мыльной пены. Все знают, что, если пузырь проколоть иголкой, он исчезнет. Проще всего этот процесс описать следующим образом. В том месте, где пузырь проколот иглой, возникает отверстие. Вдоль контура этого отверстия пленка закруглится, и вследствие этого возникнет лапласовская сила, которая будет увеличивать отверстие, заставляя вещество пленки двигаться прочь от центра отверстия. Масса той части пленки, которая ранее была на месте расширяющегося отверстия, свернется в валик, обрамляющий контур отверстия и движущийся от его центра. Со временем масса этого валика будет увеличиваться, и, если не произойдет ничего иного, «сопутствующего», через некоторое время τ все тело пленки (пузыря) свернется в одну каплю радиусом r . Нужно найти формулы, которые определяют τ и r.

Введем следующие обозначения: R — радиус пузыря, h — толщина пленки, ρ — плотность жидкости.

Радиус конечной капли легко определить, исходя из следующего очевидного условия — объем жидкости в капле и в пленке пузыря одинаков:

4πR^2h = 4/3πr^3

Из этого условия следует:

r = (3R^2h)1/3

Одна формула найдена.

Прежде чем вычислить величину τ, найдем скорость, с которой движется валик от точки прокола к точке, диаметрально противоположной которой и возникнет капля. Для упрощения расчета предположим, что пленка плоская. Учет ее изогнутости усложнил бы расчет и лишь немного уточнил результат. Исчезновение части пленки приводит к освобождению поверхностной энергии, которая, будем считать, превращается в кинетическую энергию движущегося валика. К тому моменту, когда образуется отверстие, радиус которого R_1,масса валика будет равна т = πR_1^2hρ.

Равенство кинетической энергии валика и освободившейся поверхностной энергии означает, что 1/2mυ^2 =1/2π

R_1^2hρυ^2 = 2πR_1^2α

Из записанного равенства следует выражение, определяющее скорость движения валика: υ = (4α / hρ)1/2

Очень интересный результат.

Оказалось, что, хотя со временем масса валика и увеличивается, движется он с постоянной скоростью, так как все величины, определяющие υ,— константы. Причина ясна: с ростом отверстия масса валика растет, но при этом увеличивается и количество выделяющейся поверхностной энергии. И та и другая величины с ростом R_1растут по одинаковому закону ≈ R_1^2.

Если валик совершает равномерное движение, то время, необходимое для его перемещения от места прокола до диаметрально противоположной точки, где валик сольется в каплю (а это и есть время взрыва), τ ≈ πR/υ .

Таким образом:

τ ≈ πR(hρ/4α)1/2

Итак, элементарная теория построена, найдены формулы, определяющие r и τ. Из этой теории следует, например, что если водяной пузырь имеет радиус R = 1 см, а пленка, которая его образует, имеет толщину h= 10 мк = 10-3 см, то через τ ≈ 5.10-3сек после момента прокола пузырь должен превратиться в каплю, радиус которой должен быть около 1 мм.

Теперь о фактах. Известны два великолепных опыта, с результатами которых можно сопоставить предсказания элементарной теории. Один из этих опытов был поставлен американским ученым В. Ф. Ранцем, другой ленинградским физиком М. О. Корнфельдом.

Ранц проверял, действительно ли при разрушении жидкой пленки образуется валик, который движется с постоянной скоростью. На жесткий обод он натягивал тонкую водяную пленку, прокалывал ее и с помощью чувствительной методики следил за тем, как со временем меняется радиус отверстия.

Судьба пузыря на соломинке, пробитого металлическим стерженьком

Он убедился, что валик действительно образуется, радиус отверстия меняется с постоянной скоростью, определил эту скорость и, зная толщину пленки, вычислил поверхностное натяжение жидкости по формуле

α = hρυ^2/4 ,

которая представляет собой записанную иным образом формулу для скорости движения валика. Концы с концами сошлись, величина поверхностного натяжения оказалась разумной. Результат этого опыта подтверждает одну из основных идей элементарной теории взрыва пузыря, но окончательным подтверждением служить не может, так как измерения проводились с пленкой, а не с пузырем и образования конечной капли Ранд не наблюдал.

М. О. Корнфельд количественных измерений не производил, но зато тщательно проследил за тем, что происходит с пузырем от момента прокола до его полного исчезновения. С помощью специального приспособления он пробивал пленку пузыря и, воспользовавшись техникой фотографирования в импульсном режиме, получил фотографии разрушающегося пузыря на всех стадиях его исчезновения. Оказалось, что вначале все происходит в согласии с предположениями, которые положены в основу элементарной теории: отверстие расширяется, и вдоль его контура образуется валик. Однако вскоре где-то на полпути возникают «сопутствующие» процессы, не учтенные теорией. От валика отделяются водяные стерженьки, которые, как и полагается стерженькам, распадаются на отдельные капли. Оказывается, что предполагающаяся теорией одна крупная капля не возникает, а возникает их множество. Создается впечатление взрыва, порождающего множество капель-осколков. Фотографии Корнфельда (см. предыдущий рис.) это великолепно иллюстрируют.

Хочется обратить внимание еще на одно «сопутствующее» явление, которое отлично иллюстрируется фотографиями и качественно объясняется полученными ранее формулами. Толщина пленки висящего на соломинке мыльного пузыря вследствие стекания жидкости под влиянием силы тяжести внизу больше, чем вверху. Так как скорость

движения велика

υ≈ 1 / h1/2

то в нижней части валик движется медленнее, чем в верхней. Это приводит к повороту отверстия в проколотом пузыре. Поворот плоскости, в которой расположен валик, относительно соломинки отчетливо виден на фотографиях.

В появлении большого количества капель при разрушении пузыря можно убедиться средствами более доступными, чем те, которые использовал Корнфельд. Можно поступить, например, так. Стоя в реке по грудь в воде, быстрым движением рассечь воду рукой. Вскоре на поверхности воды возникнет много пузырей. Если приблизить к ним руку, она покроется множеством маленьких капель — их число значительно больше, чем число пузырей, которые лопнули под ладонью.

Явление оказалось богаче пашей фантазии. После опытов Корнфельда есть основание для построения более точной и строгой теории.

Дождь на оконном стекле

Если посмотреть во время дождя на окно, можно заметить, что дождевые капли, ударяясь об оконное стекло, часто не прилипают к нему. Они сначала движутся в направлении, определяемом их свободным полетом, а потом начинают ползти отвесно вниз. Очень часто движущаяся капля оставляет за собой влажный след. Со временем он распадается на капельки, которые оказываются столь малыми, что вначале покоятся как бы приклеенные к стеклу. Но вскоре случайная дождевая капля покрупней столкнется с одной из них, захватит ее и вместе с ней поползет отвесно по стеклу, оставляя за собой новый след.

В этом явлении многое нуждается в объяснении. Надо понять, какие капли ползут и какие застывают, приклеившись к стеклу? Почему остается за каплей след? И всегда ли он остается?

Прежде чем объяснить, что происходит с дождевой каплей на отвесном оконном стекле, рассмотрим поведение капли на гладкой поверхности твердого тела, которая с горизонтом образует некоторый угол г]з. Если бы на гладкой поверхности располагалась не жидкая капля, а, скажем, твердый кубик, происходило бы следующее. До некоторого значения угла я(з кубик по поверхности не двигался бы, а затем, при дальнейшем увеличении угла, он начал бы скользить по поверхности. Об этом подробно рассказывают в школе на уроках физики, говоря, что на кубик действуют две силы: сила трения и проекция силы тяжести на направление возможного движения кубика по наклонной плоскости. Эти силы действуют в противоположных направлениях, но сила трения не зависит от наклона плоскости, а проекция силы тяжести с увеличением угла наклона растет. И когда угол наклона превзойдет тот, при котором эта проекция станет равной силе трения, кубик начнет скользить по поверхности.

Теперь вернемся к капле. Схематически здесь все так же, как в случае твердого кубика: есть сила тяжести, есть и сила, подобная силе трения, только в случае капли эта сила отличается некоторой особенностью, так как капля не скользит, а переливается по поверхности. По наклонной поверхности жидкая капля перемещается, подобно гусенице. В тыльной части капли жидкость отрывается от поверхностней перетекает в лобовую часть. В этом процессе любой участок жидкости, контактирующий с поверхностью, со временем оказывается перед необходимостью оторваться от нее. Сила, которая для этого необходима, и является аналогом силы трения, действующей, когда твердый кубик скользит по твердой поверхности.

Чтобы понять, что же происходит на оконном стекле во время дождя, надо определить две конкурирующие силы: проекцию силы тяжести (F_1) и силу, необходимую для отрыва жидкости от твердой поверхности (F_2) в области тыльной части движущейся капли.

Сила F_1зависящая от угла наклона плоскости по отношению к горизонту φ, равна F_1= mgsin φ (т — масса капли). Происхождение силы F_2 связано с тем, что жидкость и твердое тело, на поверхности которого она находится, притягиваются друг к другу силами молекулярного взаимодействия. Это взаимодействие количественно можно охарактеризовать той энергией, которую необходимо затратить, чтобы отделить жидкость от твердой поверхности по площади контакта 1 см^2. До отрыва энергия, связанная с границей жидкость — твердое, равнялась αжт. После отрыва жидкости от твердого тела образуются две поверхности; одна из них — свободная поверхность жидкости с энергией αж, вторая — свободная поверхность твердого тела с энергией αт. Таким образом, интересующая нас энергия отрыва в расчете на 1 см^2 равна Δα = αт + αж —αжт

Схема движения капли по наклонной плоскости

Имея в виду каплю, которая с поверхностью твердого тела соприкасается по кругу диаметром 2R, величину силы F_2можно вычислить, следуя очевидной логике. Мысленно сместим каплю как целое на некоторое расстояние х. При этом будет выполнена работа (или затрачена энергия), равная произведению площади, на которой жидкость оторвалась от твердого тела, на величину Δα. Легко сообразить, что эта площадь равна 2Rxи, следовательно, выполненная работа А = 2RΔαx. А так как работа равна произведению силы F_2на путь х, то F_2= 2RΔα. Может возникнуть вопрос: почему учитывается затрата энергии на отрыв тыльной части капли от поверхности твердого тела и не учитывается выигрыш энергии вследствие «набегания» лобовой части капли на эту поверхность? Дело в том, что энергия, выигранная при «набегании», не используется для облегчения отрыва. Она просто рассеивается, быть может, чуть-чуть нагревая каплю. Идущему по болоту не легче вытаскивать правую ногу из трясины из-за того, что левая в это время легко туда проваливается.

Чтобы капля поползла по наклонной поверхности, необходимо выполнение условия: F_1 >F_2, или mgsin φ>2RΔα. Учтя, что оконное стекло наклонено по отношению к линии горизонта под углом φ = 90°, а это означает, что sin φ = 1, легко придем к заключению, что по стеклу поползут лишь те капли, масса которых удовлетворяет условию:

т >2RΔα /g

Для простоты предположим, что на поверхности горизонтально расположенного стекла капля имеет форму полусферы. В этом случае ее масса

т = 2/3.πR^3ρ ≈ 2R^3ρ

(ρ — плотность жидкости капель). Имея это в виду, из предыдущего соотношения легко получим следующий результат: по поверхности оконного стекла поползут капли, радиус которых удовлетворяет условию:

R> (Δα / ρg)1/2

Изложенные соображения и простые формулы дают возможность понять многое из того, что происходит во время дождя на оконном стекле. Во-первых, становится ясно, что движущаяся капля будет за собой оставлять след при условии, если величина Δα >2αж. В этом случае капле выгоднее смещаться по оставляемому на стекле жидкому слою, чем оголять твердую поверхность. Величину Δα мы сравниваем с величиной 2αж потому, что при отрыве жидкой капли от жидкого слоя образуются две поверхности жидкости. Если же величина Δα окажется меньшей, чем 2αж, капли будут скатываться по стеклу, не оставляя за собой влажного следа.

Водяные капли, ползущие по оконному стеклу

На сухом, точнее, на почти сухом стекле окна капли оставляют след. Это означает, что в последней формуле вместо Δα мы можем писать 2αж. Для воды αж = 70 эрг/см^2, и потому по оконному стеклу будут скатываться капли, радиус которых больше 2 мм. Посмотрите во время дождя на окно и вы убедитесь, что дело именно так и обстоит.

Жидкая дорожка, остающаяся за движущейся каплей, долго не живет и превращается в цепочку мелких капель. Этот процесс абсолютно аналогичен распаду струи на капли. Мы с ним уже встречались, когда обсуждали появление капель-сателлитов из тонкой перемычки, соединяющей падающую каплю с тающей сосулькой, на конце которой она родилась.

Очень много любопытного в поведении дождинок на оконном стекле связано с тем, что все время на нем появляются новые капли. Некоторые из них — новые дождевые капли, а некоторые — маленькие капельки, возникшие из распадающегося следа, оставляемого движущимися большими каплями.

Описать словами, что происходит на оконном стекле с дождинками, затея невероятно трудная: никакими словами не передать огромного разнообразия происходящих событий. В лаборатории мы сняли об этом фильм. И назвали его так же, как называется этот очерк,— «Дождь на оконном стекле». Чтобы отчетливее запечатлеть все происходящее, устроили «чернильных!» дождь: воду слегка подкрасили чернилами и направили капли на вертикально стоящее стекло.

Глицериновые дожди и глицериновые капели

Рассуждения по схеме «что было бы, если бы» иногда приводят к любопытным выводам. Попробуем по такой схеме обсудить вопрос, что было бы, если бы дожди были глицериновыми. И капели были бы глицериновыми. И реки были бы глицериновыми. Чтобы фантазия о глицериновых дождях и капелях не была беспочвенной, мы в лаборатории сняли два фильма: один — о глицериновом дожде над глицериновой рекой, другой — о глицериновой капели.

Фильм о дожде над рекой снимался так. В прозрачную кювету наливали глицерин. На его поверхность из пипетки падали отдельные глицериновые капли. Скоростная кинокамера была так ориентирована, чтобы можно было заснять момент приближения капли к поверхности глицерина, ее падение на поверхность и процессы, которые происходят от момента падения капли на поверхность до полного успокоения поверхности.

В полете глицериновая капля себя ведет спокойнее водяной. При размере приблизительно 1—2 мм она имеет форму почти сферическую, практически не меняющуюся во время полета. В момент падения на поверхность глицерина капля возмущает ее, подобно тому как водяная капля возмущает поверхность воды. Под каплей образуется чаша или, точнее говоря, коническое углубление. Вокруг чаши возникает берег в виде выпуклости, обрамляющей чашу. Эта чаша, однако, лилию не напоминает, так как она не обрамлена всплесками — лепестками. В следующий момент берег начинает опадать, а чаша плавно сглаживается. И все. Никакой лилии, никакого серебряного гвоздика, никакой алмазной шляпки — ничего, что наблюдается при падении водяной капли на водную гладь.

Падение глицериновой капли на поверхность глицерина

Теперь о фильме, в котором заснята глицериновая капель. Глицериновую сосульку мы не готовили, а поступили проще — с помощью кинокамеры наблюдали за образованием капель на кончике пипетки, из которой капал глицерин. Вначале все происходит так же, как и с водой: медленно набухала крупная капля, вытягивалась перемычка, набухшая капля отрывалась и летела вниз. А затем все происходило не так, как в случае с водой. На оставшейся цилиндрической перемычке возникают перетяжки, однако они не смыкаются. Отчетливо видна тенденция к распаду цилиндрической перемычки на отдельные капли-сателлиты, но что-то этому препятствует, и перемычка медленно втягивается в пипетку.

В чем же причина отличия глицериновых дождей и капелей от водяных? Ответ, видимо, следует искать в том, чем отличаются эти две жидкости друг от друга. Их поверхностные энергии различны, но близки, а вязкости отличаются существенно: при Т=20°С вязкость глицерина более чем в 100 раз превосходит вязкость воды.

Глицериновая капля, отрывающаяся от пипетки

Вначале попытаемся понять, почему на поверхности глицерина упавшая капля не вызывает всплеска, как это наблюдается на воде. Здесь удобно обратиться к образу колеблющегося маятника, чечевица которого погружена в жидкость — вначале в воду, а затем в глицерин. Аналогия с маятником вполне законна. Капля, упавшая на поверхность жидкости, прогибает ее, выводит из равновесия. Такое состояние поверхности жидкости подобно состоянию маятника, который отклонен от вертикали. Пусть в этом положении и чечевица маятника и поверхность жидкости предоставлены самим себе. Если чечевица погружена в жидкость малой вязкости, маятник совершает несколько колебаний около вертикали. Амплитуда этих колебаний будет уменьшаться, и вскоре маятник остановится.

Колебаний будет тем меньше, чем больше вязкость жидкости, в которой движется чечевица, так как ее движение сопровождается потерей части энергии на преодоление вязкого сопротивления жидкости. В случае очень вязкой жидкости маятник будет медленно приближаться к вертикали и, подойдя к ней, остановится.

В нашей аналогии поверхность жидкости подобна чечевице маятника. Если жидкость обладает малой вязкостью, ее возмущенная поверхность, прежде чем успокоиться, совершит несколько колебаний около горизонта. Именно это мы и наблюдали в опытах с водой, когда воронка и гвоздик чередовались 2—3 раза. А воронка, возникшая под давлением упавшей капли, в вязком глицерине медленно сглаживается, и поверхность, приблизившись к горизонтали, успокаивается. Запасенной энергии хватает лишь на преодоление сопротивления вязкого глицерина.

В случае глицериновых капелей цилиндрическая перемычка с наметившимися перетяжками, остающаяся после отрыва капли, не разбивается на капельки-сателлиты по этой же причине — из-за большой вязкости глицерина.

Значит, у поэтов глицеринового мира дождь на реке не смог бы вызвать образ водяной лилии или серебряного гвоздика с алмазной шляпкой. Вот что было бы, если бы...

Опыт Рэлея—Френкеля

Сущность опыта заключается в наблюдении за поведением струи жидкости в электрическом токе. Со струей происходит много любопытных явлений; она разбивается на капли, затем капли сливаются, а в иных условиях разлетаются серебристым веером во все стороны. Но вначале немного об истории опыта.

В 1879 г. английский физик Рэлей, второй директор знаменитой Кавендишской лаборатории, заметил, что струя водяного фонтанчика, помещенная в электрическое поле, параллельное струе, менее охотно дробится на капли, чем в отсутствие поля. Он описал это явление, но подробно исследовать не стал. Вслед за ним многие повторили опыт, заметив при этом, что Рэлей увидел не все. Струя в поле действительно менее охотно дробится на капли, однако, если поле увеличить, можно добиться эффекта диаметрально противоположного — дробление становится более активным, на конце струи возникает множество мелких капель.

Капля на конце струи, колеблющаяся в электрическом поле

Через 70 лет, в 1949 г., опыт Рэлея повторил Я. И. Френкель со своими сотрудниками. Повторил с различными жидкостями, меняя величину поля, напор струи. Он высказал некоторые соображения о причинах наблюдаемых явлений, затем экспериментально проверил справедливость догадок и предложил приближенную теорию, которая удовлетворительно объяснила факты. Вот, пожалуй, и вся история. Мы в лаборатории повторили опыты Френкеля и сняли об этом кинофильм, из которого здесь приведены две кинограммы.

Готовясь к опыту, собрали простое устройство: на высокой подставке располагался сосуд с водой, с ним была соединена резиновая трубка, которая оканчивалась стеклянным оттянутым наконечником. Из наконечника вертикально била струя воды, проходя через отверстие в алюминиевом диске, параллельно которому на расстоянии около полуметра располагался второй алюминиевый диск; гибкими проволочками диски соединялись с источником напряжения. Кроме того, к алюминиевым дискам подключали измеритель напряжения. В качестве источника использовали электростатическую машину (какая есть в любом школьном кабинете физики).

Опыт ставился так. Включалась струя. Ее напор регулировался таким образом, чтобы вершина струи не достигала верхнего диска. Начинали вращать ручку электростатической машины, следили за показаниями вольтметра и кинокамерой снимали все то, что происходило со струей в электрическом поле.

Первая кинограмма. На приводимых кадрах последовательно отражено событие, которое происходит на конце струи, когда приложено небольшое напряжение. При напряжении около 200 в/см на конце струи образуется вначале небольшая, но постепенно увеличивающаяся капля, которая затем оседает вместе со струей и стекает вдоль нее. После этого струя поднимается, и процесс начинается сначала: зарождается и растет капля, оседает вместе со струей и стекает по ней. Выглядит это очень красиво — создается впечатление, что капля танцует на струе: приседает и поднимается, приседает и поднимается. В объяснении нуждаются две характеристики явления: во-первых, почему на конце струи начинает формироваться крупная приседающая капля, которая ранее, в отсутствие поля, не образовывалась, во-вторых, чем определяется частота приседаний капли?

Известно, что в отсутствие поля на конце струи формируются небольшие капли. Судьба каждой из них абсолютно независима от судьбы соседней капли. Независимо друг от друга они отрываются от струи и опадают. Если же струя находится в поле, каждая из образующихся капель поляризуется — это означает, что заряды, имеющиеся в объеме каждой капли, перераспределяются так, что у одного конца капли оказывается больше положительных зарядов, а у противоположного — больше отрицательных. Поляризованные капли уже не безучастны друг к другу, они начинают взаимно притягиваться, образуя укрупненную каплю. До достижения некоторого размера эта капля поддерживается напором струи, а затем растущая капля, давя своей тяжестью на струю, прижимает ее к стеклянному наконечнику и оседает вместе с ней. Я. И. Френкель вычислил, что две капельки, каждая из которых имеет радиус 2 мм, друг к другу притягиваются с малой силой — всего 1 дина, но ее оказывается достаточно, чтобы удержать их рядом и вынудить принять участие в формировании крупной капли.

Щеточка из водяных капель, расширяющаяся по мере роста напряженности электрического поля

А теперь о частоте приседаний или, лучше, так: о времени τ, которое проходит между двумя приседаниями. Его можно определить, рассуждая следующим образом. Растущая со временем капля будет увеличивать свой размер до тех пор, пока давление, оказываемое ею на струю (Рк), не станет равным давлению струи на каплю (Рс). Если нам известны скорость υ и сечение s струи, мы легко можем определить величины Рк и Рс. Они равны отношению соответствующих сил Fк и Fс к сечению струи:

Рк = Fк/sиРс = Fс /s .

Очевидно, Fк = тк. g,аFс = тс.ω, где g — ускорение силы тяжести, которой подвержена капля, тс — масса струи длиной h между наконечником и каплей, а ω — ускорение или, точнее, замедление, с которым движется струя. Так как у выхода из стеклянного наконечника струя имеет скорость υ,а в месте соприкосновения с набухшей каплей ее скорость обращается в нуль, то ω ≈υ / τ

Считая, что средняя скорость струи υcp =υ/2, можно записать, что

тк =υ/2. sρτ ,  а тс =shρ .

Вот теперь, приравнивая Рк и Рс, получим:

τ ≈ (2h/g)1/2

В наших опытах h = 20 см и, следовательно, τ должно бы равняться —10-1 сек. В действительности τ оказывается немного большим, видимо, из-за того, что набухшая капля не свободно падает, а стекает вдоль струи, испытывая при этом трение о нее. А вот следующее из формулы предсказание, что τ ~h1/2, когда увеличение длины струи, к примеру, в 4 раза должно увеличить время между двумя приседаниями вдвое, — оправдывается.

Вторая кинограмма. Эта кинограмма отражает изменения, которые происходят с концом распадающейся струи, по мере того как возрастает напряженность электрического поля Е. Отчетливо видно, что на конце струи вместо приседающей капли формируется густая щеточка, фонтанчик мелких капель, разлетающихся в разные стороны. С ростом напряженности щеточка становится более широкой, и точка на струе, где начинается ее разветвление, приближается к нижнему электроду. Расстояние между этой точкой и электродом обозначим l — далее оно нам понадобится. Когда напряженность достигла ~ 2000 в/см, практически вся струя начиная от места выхода ее из стеклянного наконечника (он был немного выше нижнего электрода) превращалась в ветвистый фонтан из мелких капель.

Почему? Почему ранее, при небольшой напряженности поля, мелкие капли объединялись в крупную, а при большой напряженности они сочли для себя целесообразным дробиться на еще более мелкие и разлетаться во все стороны сверкающим фонтанчиком? Или, иными словами, почему в сильном электрическом поле капля на кончике струи утрачивает устойчивость и разрывается на множество мелких?

Разрыв капли происходит под влиянием электрического растягивающего давления Ре . Оно побеждает лапласовское, которое, сжимая каплю, стремится сохранить ее.

Электрическое давление, возникающее в электрическом поле, подобно тому, которое разрывает тяжелые атомные ядра, обладающие большим зарядом. Отличие лишь в том, что заряженное ядро находится в поле, которое создано его собственным зарядом, а дробящаяся водяная капля находится в поле, созданном и поддерживаемом внешним источником.

После сказанного легко оценить величину электрического давления. Имея в виду каплю радиуса R , несущую заряд q , можно определить силу, которая разрывает каплю,

В этой формуле все разумно: напряженность электрического поля, необходимая для разрыва струи, оказывается тем больше, чем меньше размер капли и чем больше величина поверхностного натяжения, сжимающего ее. Однако, чтобы эту формулу сопоставить с результатами опыта, необходимо учесть, что напряженность Ек отличается от Е_0 — напряженности между пластинами конденсатора. Так как вблизи капли, сидящей на струе, силовые линии поля сгущаются, Ек будет больше, чем Е_0.

Расчет показывает, что Ек = Е_0 . Удобнее эту формулу переписать в виде:

Последняя формула естественно объясняет понижение точки, в которой начинается распад капель, с ростом напряженности :

l ≈ 1/Eo

Получается своеобразный высоковольтный вольтметр. С его помощью можно определить напряженность, измерив расстояние l.

Вот теперь, пожалуй, опыт Рэлея — Френкеля понят, и обе кинограммы истолкованы.

Кто творит радугу?

Радугу творят водяные капли: в небе — дождинки, на поливаемом асфальте — капельки, брызги от водяной струи. Радугу могут сотворить и капли-росинки, которыми осенним утром покрыта низко скошенная трава.

Вначале поговорим о «геометрии» радуги, т. е. о форме и расположении разноцветных дуг, а затем — о «физике» радуги, о том, какие физические законы определяют ее форму и цвета.

«Геометрия радуги» в небе описана давным-давно. Обычно в небе видны две разноцветные концентрические дуги — одна яркая, а другая побледнее. Каждая дуга является честью окружности, центр которой лежит на прямой, проведенной через солнце и глаз наблюдателя. Эта прямая — своеобразная ось, и вокруг нее изогнута радуга. Глаз наблюдателя оказывается в вершине конусов, в основании которых — разноцветные дуги. Образующие этих конусов с осью соответственно составляют углы 42 и 51°. Солнце светит из-за спины наблюдателя, и, чем ниже оно опускается к горизонту, тем выше поднимается вершина радуги. В тот момент, когда солнце касается горизонта, можно увидеть полукруглую радугу — большей она никогда не бывает. Если же солнце поднимется над горизонтом более чем на 42°, вершина яркой радуги уйдет за горизонт.

Все происходит так, будто негнущиеся прямые, как коромысло, закреплены в точке О, где находится глаз наблюдателя, а на концах коромысла — солнце и вершина радуги. Это означает, что у каждого наблюдателя «своя» радуга, изогнутая вокруг «своей» оси, той самой, которая проходит через его глаз. Радуга все же не настолько «своя», чтобы стоящие рядом не могли обсуждать ее красоту. Они видят практически одно и то же, так как солнце удалено от наблюдателей на расстояние, неизмеримо большее, чем расстояние между ними. И еще: дойти до радуги, как и до горизонта, невозможно. И приблизиться к ней тоже невозможно, потому что это означало бы изменение всей геометрии радуги, в частности угла при вершине конуса. А его соблюдение — первейшее требование и физики и геометрии радуги.

К геометрическим сведениям следует отнести данные о порядке чередования цветов в радугах. Как известно, в радуге представлены «все цвета радуги» — от красного до фиолетового. Порядок цветов в дугах обратный, и друг к другу они обращены красными полосами. Вот и вся геометрия радуги, во всяком случае той, которая сотворена каплями в небе.

Теперь о физике радуги. Ее история восходит к 1637 г., Когда французский философ и естествоиспытатель Рене Декарт впервые понял роль капли в возникновении радуги. Свое открытие он подтвердил расчетом, потребовавшим затраты огромного труда: он проследил путь в сферической капле десяти тысяч параллельных солнечных лучей, Первый из них касается поверхности капли, а десятитысячный проходит через ее центр, т. е. расстояние между крайними лучами равно радиусу капли.

Схема опыта, в котором радугу можно воспроизвести в лаборатории

Идея Декарта была проста и естественна. Он считал, что солнечные лучи, двукратно преломляясь в капле и один раз отражаясь от ее поверхности, могут попасть в глаз наблюдателя. Проследив такой путь десяти тысяч лучей, он убедился, что все лучи, номера которых приблизительно находятся между 8500 и 8600, будут из капли выходить практически в одном и том же направлении, под углом 42° к оси радуги. Следовательно, среди прочих это направление выделено своей яркостью, и стократно усиленный луч воспримется наблюдателем. Конечно, преломляют и отражают лучи все капли, витающие в небе, но глазом будут восприняты световые сигналы лишь от тех, которые расположены на дуге, удовлетворяющей требованиям геометрии радуги, прямо следующей из ее физики.

Все рассказанное о десяти тысячах лучей касается главной радуги, той, к которой относится цифра 42°. Если же мы рассмотрим более сложный путь лучей в капле — два преломления при двух, а не одном отражении — получим объяснение второй дуги, к которой относится цифра 51°.

В разумности идеи Декарта можно убедиться, сотворив радугу в лаборатории с помощью одной искусственной огромной «капли». Ее можно создать, заполнив сферическую стеклянную колбу водой. Колбу надо поставить перед экраном и через отверстие в нем направить на колбу параллельный сноп света. На экране образуется полное цветное кольцо, удовлетворяющее всем требованиям «геометрии радуги».

Появление цветов — естественное следствие зависимости показателя преломления от длины волны света. В капле происходит то же, что в стеклянной призме, которая разлагает белый свет на «все цвета радуги». «Физика» радуги остается неизменной при различных «геометриях» — для радуги на мокром асфальте и на скошенной траве, покрытой росой.

Еще следует упомянуть об эффектах, связанных с малостью размера капель. Те капли, которые в основном творят радугу, имеют диаметр 0,08 — 0,20 мм. При таких размерах надо учитывать, что свет имеет волновую природу. Связанные с этим изменения элементарной теории Декарта, который рассматривает луч, а не волну, оказываются не очень существенными.

Если бы создающие радугу капли сохранялись в небе, не изменяясь, радугу можно было бы наблюдать в течение не более 2 час. 48 мин: именно за это время солнце по небосводу проходит дуговой путь в 42°. Но каплям в небе не свойственно долголетие — они испаряются, соединяются и, увеличивая свой размер, опадают. Все это отражается на радуге — на яркости ее цвета, ширине соответствующих световых полос, продолжительности ее жизни. Когда капель становится мало, радуга блекнет и исчезает.

КАПЛИ РОСЫ

Все красоты Неаполитанского залива не променяю я на ивовый куст, обрызганный росой.

К. Паустовский

Счастливый день в жизни естествоиспытателя

Слово «естествоиспытатель», сказанное об исследователе природы, звучит точнее и емче, чем слово «ученый». Естествоиспытатель — испытывающий естество, экзаменующий природу, требующий от нее ответов на вопросы.

Кристаллограф Георгий Глебович Леммлейн был истинным естествоиспытателем. Он умел как-то доверительно общаться с природой, чутко прислушиваться к тому, что отвечала она на его умело заданные вопросы. Его творческая жизнь была посвящена мертвой, каменной природе, объекты его исследований тверды и молчаливы, а ему они открывались и рассказывали о себе.

Много раз мне доводилось слышать и читать о том, что между наукой и искусством нет разделительного вала, что в истинном естествоиспытателе живет художник, а настоящий художник в какой-то мере исследователь природы. Я понимал, что эта мысль верна, почти тривиальна, но до встречи с Георгием Глебовичем она жила во мне логически разумным утверждением — и только. А в нем я увидел живое воплощение союза науки и искусства. Он был из тех естествоиспытателей, которые видят то, на что иные смотрят невидящим взором.

Расскажу об одном счастливом дне в его жизни: в тот день ему довелось почти в прямом смысле слова «одним дыханием» сделать два важных открытия. Об одном из них расскажу вскользь, а о другом подробно, так как в этом открытии капля — главный герой.

В один из дней начала 1945 г., сидя за столом в лаборатории роста кристаллов Института кристаллографии АН СССР, Георгий Глебович Леммлейн изучал под микроскопом кристалл карборунда. О том, что произошло дальше, он так рассказывал своим ученикам:

— Я долго сидел за микроскопом и рассматривал поверхность карборунда. Очень устал и, не отодвигаясь от тубуса, тяжело выдохнул: «Уф!..» И тотчас заметил, как расцвел, обогатился рельеф поверхности кристалла. Выдохнул еще раз — уже нарочно. Снова то же самое. Понял, что это роса от моего дыхания. В этот и последующие дни стал с увлечением использовать новый трюк.

К появлению капель влаги на поверхности кристалла можно было отнестись по-разному. Например, решить, что обращаться с образцом надо поаккуратнее, не дышать на него, чтобы ничто постороннее не помешало наблюдать истинную структуру поверхности. Леммлейн, однако, поступил совсем не так, а в некотором смысле наоборот. Он немедленно воспроизвел явление, специально подышал на кристалл и убедился в том, что исчезнувший узор, очерченный росинками, появился снова. А затем воспроизвел еще и еще раз и убедился, что росинки не мешают увидеть истинную структуру поверхности кристалла, а наоборот, благодаря им очерчиваются такие тонкие детали рельефа, перед которыми обычная техника оптической микроскопии бессильна. Так был открыт «метод росы» Леммлейна. Сущность его заключается о том, что на холодной поверхности кристалла роса оседает вдоль различного вида неоднородностей поверхности — ступенек, контуров микроскопических ямок — участков, где почему-либо сконцентрировался электрический заряд.

20 марта 1945 г. на заседании отделения физико-математических наук АН СССР Г. Г. Леммлейн рассказал о своем открытии. Говорил о том, что поверхность реального кристалла, кажущаяся гладкой, зеркальной, великолепно отражающая свет, в действительности имеет очень тонкий рельеф. Благодаря росинкам можно сделать видимыми в оптическом микроскопе ступеньки, высота которых в 10 раз меньше длины волны видимого света. В пересчете на межатомные расстояния это около 10 атомных ступенек!

Фотография одного и того же места поверхности кристалла. Справа — до декорирования, слева — после декорирования водяными каплями

Декорирование поверхности монокристалла поваренной соли твердыми капельками золота. Фотография получена в электронном микроскопе при увеличении в 40 000 раз

«Метод росы» — великолепная находка естествоиспытателя. Беда только, что роса быстро испаряется и картина декорирования деталей структуры поверхности исчезает. Появилась мысль осаждать на поверхность кристалла росу не водяную, а из другого вещества, которое испаряется медленнее. А можно поступить иначе: осаждать росинки из вещества, которое закристаллизуется, и детали рельефа будут декорированы не жидкими, а твердыми, застывшими капельками. Вещество было найдено — хлористый аммоний. «Метод росы» превратился в «метод инея» — надежный способ обнаружения и исследования тонкого рельефа поверхности.

А потом, как это часто бывает в истории науки, идея начала жизнь, не зависящую от автора. В разных лабораториях изыскивали вещества, с помощью которых можно декорировать детали поверхностного рельефа на различных кристаллах. Например, поверхность каменной соли можно декорировать парами золота, другие кристаллы парами висмута, сурьмы, иных веществ. Таким образом научились обнаруживать неоднородности поверхности, как принято говорить, «на атомном уровне».

В тот же день Леммлейн сделал еще одно открытие: рассматривая кристаллы карборунда, покрытые капельками росы, он заметил, что на некоторых участках поверхности росинки располагаются в форме спиралей. Это не случайные структуры — капельные спирали свидетельствуют об особом механизме роста кристаллов карборунда. Теперь этот механизм подробно изучен и получил название механизма слоисто-спирального роста.

Засада на росу

Эта засада не преследовала никаких агрессивных целей: ни пленять, ни тем более убивать росу мы не собирались — просто хотели проследить за тем, как на рассвете появляются росинки на листьях и паутине и как они исчезают с восходом солнца. Следили и за теми росинками, которые выпадают после дождя, когда воздух влажный и теплый. И вооружение у нас было самое мирное: кинокамера, фотокамера и лампа со вспышкой. А наши трофеи — отснятые пленки и свежие наблюдения из числа тех, которые лишенная эмоций оптика не регистрирует.

Вначале немного сведений о росе, заимствованных из школьного учебника. В окружающем нас воздухе всегда имеется некоторое количество влаги. Есть, однако, предел ее содержанию, и если почему-либо в воздухе влаги оказалось больше этого предельного количества, она начнет выпадать, оседая на различных предметах отдельными каплями. Чем выше температура воздуха, тем большее количество влаги может в нем находиться, не выпадая в росу. Если же воздух, содержащий определенное количество влаги, охладить, при некоторой температуре имеющийся в нем запас влаги станет предельным и появится роса. Этот процесс подобен тому, что происходит в стакане воды с растворенной в ней солью. Охлаждая воду, мы увидим, что при некоторой температуре на дне стакана начнут появляться кристаллики соли — подобие росы.

Так с восходом солнца исчезает роса на траве

А так — на паутине

Любопытное наблюдение. Когда солнце, согревая воздух, начинает высушивать росу на траве, создается впечатление, будто росинки становятся крупнее. В какой-то мере это только впечатление, потому что раньше других испаряются мелкие капли, а оставшиеся крупные росинки способствуют впечатлению, будто средний размер увеличился. А в какой-то мере увеличение росинок действительно происходит, во всяком случае может происходить, поскольку избыточная упругость пара вблизи изогнутой поверхности росинок (ΔР) и радиус кривизны их поверхности связаны соотношением ΔР ≈ 1/R, то вблизи крупных росинок ΔРменьше, чем вблизи мелких. И поэтому может происходить перенос влаги от мелких росинок к крупным. Именно об этом было подробно рассказано в очерке «Капля пустоты» на примере реальных капель и на примере пор.

Дождевые росинки обычно крупнее тех, которые возникают на рассвете. Капли падающего дождя редко задерживаются на паутине: иногда они ее рвут, а иногда, задержавшись на мгновение, продолжают свой полет на землю, и лишь капли моросящего дождя оседают на ее нитях. А когда дождь прошел и воздух в избытке напитан влагой, на паутине появляется обильная роса: осевшие из влажного воздуха росинки располагаются вдоль нитей паутины, изгибая их. Самые крупные капли оседают на переплетениях нитей — в узлах паутины. Они и живут дольше других, когда со временем росинки, испаряясь, исчезают с паутины.

Две подборки фотографий, которыми иллюстрируется очерк, небольшая часть наших трофеев.

Росинка в солнечном луче

После лекции о капле, которую я как-то читал юношеской аудитории, ко мне подошел один из слушателей и подарил фотографию. На фотографии была запечатлена росинка на листике травы. Отчетливо видны два ярких пятнышка— блика, создающие впечатление, будто росинку пронзил солнечный луч, сверкающий на входе и выходе из нее.

—  Возьмите,— сказал он,— снимок сделан ранним утром, когда солнце только появляется. Много раз я наблюдал, как росинки, осевшие на траве, прокалываются насквозь солнечным лучом. Решил сфотографировать, и будто бы удалось. Странно только, что на входе луча пятнышко менее яркое, чем на выходе.

Он отдал мне фотографию и, немного смущаясь, добавил:

Мне показалось, что травинка с каплей распрямляется по мере того, как восходит солнце. Такое впечатление, будто солнечный луч поднимает каплю и травинке становится легче.

Через некоторое время после этой случайной встречи я постарался разобраться в том, что снято на подаренной мне фотографии. Для этого в лаборатории поставили контрольные опыты, о которых я и расскажу в этом очерке, посвященном росинке в солнечном луче.

Вначале четкое утверждение: два блика, видимые па поверхности капли, конечно же, не соответствуют местам входа и выхода какого-то луча, которого вообще нет, так как солнце посылает пучок света, падающий на всю обращенную к нему поверхность капли. Блики появляются совсем по другой причине.

По отношению к падающему солнечному свету капля играет роль сферической линзы, которая дважды — навходе и выходе — преломляя падающие на нее лучи, приближает их к прямой, идущей от солнца к капле. Поэтому вблизи поверхности капли, обращенной от солнца, там, где лучи выходят из нее, освещенность резко увеличивается. Это и обнаруживается по яркому блику на поверхности капли. От этого блика, как от освещенного участка вогнутого сферического зеркала (с соблюдением известного закона геометрической оптики, который гласит, что «угол падения равен углу отражения»), в объем капли распространяются лучи.

Капля на травинке. Впечатление, будто ее пронзил солнечный луч

Эти лучи могут многократно отражаться от участков сферической поверхности капли, наполняя ее солнечным светом.

Поверхность капли изогнута и спокойна. На ней всегда найдется такой участок, который отразит солнечный луч в наш глаз. На отражающем участке поверхности, обращенной к солнцу, возникнет блик, подобный блику на солнечной дорожке. Блик будет устойчивым, так как форма поверхности капли со временем не изменяется и отражающий участок оказывается недвижимым.

Блики на капле при различных положениях глаза наблюдателя относительно солнечного луча

Итак, блик, который на теневой стороне капли,— следствие преломления лучей, а второй блик на участке поверхности капли, обращенной к солнцу,— следствие отражения солнечных лучей этой поверхностью. На первом сконцентрирована интенсивность почти всех лучей, упавши х на полусферическую поверхность, обращенную к солнцу, а второй блик отражает лишь те лучи, которые упали на малый участок поверхности капли. Поэтому первый блик ярче второго. Сказанное можно подтвердить простыми опытами, которые были поставлены в нашей лаборатории. Экспериментировали мы со специально приготовленной моделью капли. Сферическую стеклянную колбу заполнили водой и таким образом стали обладателями сферической линзы — модели капли. Колбу осветили интенсивным параллельным пучком света — на ее поверхности загорелось два блика. Можно было сделать так, чтобы каждый из них светился вне зависимости от свечения другого. Блик, обусловленный отражением света, можно было убрать, приблизив палец к тому месту колбы, где блик светился. А тот блик, в котором собраны все лучи с поверхности освещаемой полусферы, можно было убрать, лишь полностью преградив путь лучам на эту поверхность. Если же оставался небольшой освещаемый участок этой поверхности — где-нибудь сбоку или посредине,— блик загорался.

И еще один факт. Яркий блик оставался неподвижным, с какого бы места мы па освещенную колбу ни смотрели, а другой смещался, если, глядя на колбу, двигаться вокруг нее. Причину этого легко понять, посмотрев на ход лучей, схематически изображенных на рисунке.

Предположение юного фотографа, что солнечный луч пронзил росинку, оказалось красивым поэтическим вымыслом. В действительности же все происходит в соответствии с законами геометрической оптики. Впрочем, для естествоиспытателей они не менее красивы, чем поэтический вымысел.

«Застывшие алмазы росы»

Еще в юности я прочел в одном из украинских стихотворений такую строку: «Охололi алмази роси» — «Застывшие алмазы росы». И с тех пор она всплывает в памяти всякий раз, когда глаз останавливается на капле, застывшей на каменной глыбе или льдинкой повисшей на кончике хвойной иглы.

О «застывших алмазах» можно было бы книгу написать. Но здесь речь пойдет лишь о том, что происходит с росинкой, застывшей на камне, и с камнем, на котором росинка застыла.

Итак — капля росы на поверхности камня.

Судьба водяной капли, кристаллизующейся на поверхности твердого тела, во многом определяется тем, что плотность воды больше плотности льда. Именно из-за этого различия плотностей лед, образовавшийся на поверхности реки, не опускается на дно, и реки не промерзают насквозь. Именно поэтому деревянные бочки на морозе лопаются под напором льда, который образуется при кристаллизации воды.

Представим себе на камне каплю росы, в которой должна начаться кристаллизация. Рассуждая схематически, разумно указать три места, где может появиться зародыш кристаллизации: на границе капля — камень, в объеме капли и на границе капля — воздух. Казалось бы, естественнее всего появиться зародышу на границе капля — камень. Ведь именно вблизи этой границы капля нее,чем у «макушки», так как тепло из капли в объем камня отходит активнее, чем в воздух. Оказывается, однако, что на границе капля — камень кристаллизация начинается не всегда. Даже, точнее, так: редко, лишь в тех случаях, когда охлаждение происходит очень быстро. Причину этого выясним позже, а сейчас — о двух других возможностях появления зародыша. Легко понять, что эти возможности практически равнозначны, так как если зародыш и возникает в объеме капли, то он мгновенно всплывает к ее макушке, т. е. к границе капля — воздух. Такой зародыш разрастается, и при этом граница лед — вода будет двигаться по направлению к границе вода — камень, где зародыш «не пожелал» возникнуть. Если зародыш все же возник на границе между каплей и камнем, граница растущего кристаллика будет продвигаться к макушке капли.

Реальность оказывается богаче обедненной схемы. Кристаллизация капли в реальных условиях происходит не только вследствие роста зародыша, которому паша схема предписывает появиться в одном из трех мест капли, но и вследствие образования тонкой корочки— панциря. Его наличие, как оказывается, очень существенно влияет на конечную форму застывшей капли.

Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появился вблизи «макушки» капли. В увеличенном масштабе показана конечная форма капли, на которой виден выброс сбоку

Обратимся к фактам. В Институте кристаллографии АН СССР наблюдали поведение капель расплавленного металла — германия на поверхности неметаллического кристалла—сапфира (это был побочный результат большой исследовательской работы). Подобно воде, плотность расплавленного германия больше, чем плотность закристаллизовавшегося, поэтому наблюдавшееся явление имеет прямое отношение к водяной капле.

Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появляется на границе между германиевой каплей и сапфировой подложкой. В увеличенном масштабе показана закристаллизовавшаяся капля, имеющая коническую форму

В нашей лаборатории были поставлены опыты с системой капля воды — кристалл соли; полученные результаты оказались совершенно подобны тем, которые следовали из опытов с системой капля германия — сапфир. В опытах по кристаллизации капель на поверхности сапфира был тщательно прослежен процесс кристаллизации капель в случаях, когда зародыш возникает на границе между каплей и сапфиром или на макушке капли. У обоих процессов проявилась одна общая черта. Оказывается, что вблизи того участка поверхности капли, где процесс кристаллизации завершается,— у макушки,если зародыш возник вблизи сапфира, и вблизи сапфира, если зародыш возник у макушки, образуется выпуклость, нарушающая естественную форму капли. Происхождение этой выпуклости легко понять.

Дело в том, что под закристаллизовавшимся тонким панцирем имеется еще не отвердевшая жидкость. Ее судьба подобна судьбе воды в бочке: кристаллизуясь, она увеличивает свой объем, и поэтому в наиболее тонком месте прорвет панцирь. Происходит сложный процесс: формируется панцирь, под ним кристаллизуется жидкость, форма панциря искажается, и в каком-то месте он может разломаться. Иной раз на этой завершающей стадии кристаллизации капли она становится источником тоненькой фонтанирующей струйки, которая сквозь панцирь выдавливается кристалликом, растущим в объеме капли. Иногда возникает ветвистый фонтанчик, иногда тоненькая струя-иголочка, которая мгновенно замерзает.

Следовательно, правильным было утверждение, что реальность всегда богаче схемы: капля не просто из жидкой становится твердой, а меняет свою форму и о конце кристаллизации сообщает фонтанчиком.

Вернемся теперь к обсуждению причины, из-за которой зародыш неохотно возникает на границе между каплей и камнем. Дело здесь вот в чем. Образование ледяной корочки на границе с камнем должно сопровождаться деформацией и корочки и камня'. Удельный объем льда больше объема воды, и поэтому образующаяся ледяная корочка должна как бы рвать камень, а он, сопротивляясь этому насилию, будет сжимать корочку. Оба эти процесса связаны с деформацией и кристаллизующейся капли и камня. А это невыгодно, и поэтому естественнее, чтобы зародыш возник вдали от камня, где его появление не связано с возникновением дополнительной энергии. Лишь в крайнем случае, когда теплоотвод в камень велик и температура капли вблизи камня значительно ниже, чем у макушки, зародыш может возникнуть на границе вода — камень.

Мы обсудили участь росинки, застывшей на камне, а теперь — о том, что происходит с камнем, на котором росинка застыла.

Где бы зародыш ни возник, в конце концов камню не избежать действия растягивающих напряжений, которые, как уже упоминалось, возникают вследствие скачка объема при кристаллизации капли. Расчет показывает, что они могут достичь сотен килограммов на квадратный сантиметр. Этого вполне достаточно, чтобы под каплей в камне возникли трещинки, очаги разрушения.

Деформирующее влияние капли на твердую кристаллическую подложку отчетливо наблюдается с помощью несложного опыта. На гладкой поверхности кристаллика каменной соли располагается капля, которая закристаллизовывается, а затем оттаивается и стряхивается. После такой процедуры в кристаллике на том месте, где располагалась кристаллизовавшаяся капля, обнаруживались очаги деформации, так называемые полосы скольжения. Капле, оказывается, под силу разрушать твердый кристалл, каменную породу.

Под жидкой каплей, закристаллизовавшейся па поверхности кристаллика каменной соли, легко обнаруживаются следы деформации кристалла — линии скольжения и микротрещинки

У французского поэта Ремона Кепо есть строки, которые заставляют задуматься о манере мышления поэта. Вот они:

...В трещинах от дождей,

В трещинах от эрозий,

От росы, от цепких корней,

То на солнце, то на морозе

Продолжает свой путь скала...

Неужели поэт, далекий от физики жидкостей и кристаллов, понимает, что росинка может порвать скалу? Или это погоня за красивой курьезностью — поставить росинку вровень с цепкими, могучими корнями? А быть может, это изощренная интуиция, когда правда, минуя логическое осмысливание, просится в строку? Вот уж действительно путь поэтической мысли и истоки поэтического образа трудно исповедимы!

Капли со шлейфом

Капля несколько раз «вторгалась» в творческую жизнь Георгия Глебовича Леммлейна. В первый раз в виде росинок, осевших на кристаллической поверхности, затем в виде капель раствора, движущихся и преобразующихся в объеме кристалла,— об этом рассказ впереди, а в 1957 году он изучил движущиеся по поверхности кристалла капли, за которыми стелется шлейф.

Незадолго перед войной польский физик Коварский обратил внимание на неожиданное и любопытное явление. Если кристалл растет вследствие притока вещества из паровой фазы и если он нагрет почти до температуры плавления, то на его поверхности появляются жидкие капли. Они мечутся по поверхности кристалла, подобно тому как мечется капля воды на горячей сковородке, и, как капля воды, они вскоре исчезают, но исчезают не так, как водная капля. Коварский впервые заметил это явление, а Леммлейн с сотрудниками его подробно изучили. Изучили и иное, родственное явление — образование капель жидкости на поверхности не растущего, а испаряющегося кристалла.

Мысленно поставим опыт, некогда выполненный Леммлейном, и проследим за происходящим. Расположим под стеклянным колпаком кристалл, за которым будем вести наблюдение. Кристалл должен лежать на обогреваемой пластинке, и его температура должна быть на 1—3° С ниже температуры плавления.

Для определенности предположим, что экспериментируем мы с кристаллом сложного органического вещества— паратолуидином, поскольку именно с таким кристаллом экспериментировали в лаборатории Леммлейна. Плавится он при температуое 44° С. В стороне от кристалла под колпаком расположим маленькую печку с тигельком, в котором плавится и испаряется паратолуидин. Вскоре пространство под колпаком заполнится парами паратолуидина, которые должны будут оседать на поверхности подогретого, но нерасплавленного кристаллика. Он при этом будет подрастать, увеличиваться в объеме. Стеклянный колпачок надо сконструировать так, чтобы сквозь него было удобно с помощью микроскопа наблюдать за поверхностью растущего кристалла.

Движение капли, оставляющей за собой шлейф в процессе кристаллизации

Посмотрев в микроскоп, мы увидим, что на поверхности кристалла имеется множество капель разных размеров — от 1 до 20, а иногда и до 30 микрон. Далее мы увидим, что какая-либо из капель, блуждая по поверхности, коснется торца одной из ступенек, которых на поверхности кристалла множество. А после этого произойдет неожиданное: капля, пытаясь уйти от торца ступени, будет оставлять за собой шлейф, высота которого вровень со ступенью. Шлейф окажется частью ступени, ее продолжением. Движущаяся капля будет себя расходовать на образование шлейфа и в конце концов исчезнет.

Однако она исчезнет позже, чем ей надлежало бы исчезнуть, если полагать, что капля перестанет существовать в точности тогда, когда объем вещества в созданном ею шлейфе станет равным ее начальному объему. Любопытная деталь: шлейф, остающийся за каплей, увеличивает свою площадь не только в направлении смещения капли, но и в перпендикулярном направлении, и поэтому у своих истоков он оказывается значительно шире, чем начальный диаметр капли (истинному шлейфу так и положено к концу расширяться).

Движение капель, в процессе испарения оставляющих за собой следы, «отрицательные» шлейфы

Мы увидим еще много и иных подробностей: некоторые капли, пристав к ступени, будут двигаться по спирали, оставляя за собой фасонный шлейф. Некоторые, оставляя за собой шлейф, столкнутся с другой ступенью, оказавшейся на их пути, и, отразившись от нее, начнут образовывать два шлейфа.

Видоизменим опыт, обратив условия его проведения. Сделаем давление пара паратолуидина под колпаком достаточно низким, чтобы кристаллик, за которым мы наблюдаем, смог испаряться. Достичь этого можно, например, так: печку, в которой плавился паратолуидин, выключить, а температуру исследуемого кристалла не изменять. Как и в первом опыте, на его поверхности мы обнаружим капли; как и в первом опыте, они будут «метаться» по поверхности и прикрепляться к ступеням. Но после этого они не станут двигаться от ступени, а начнут вгрызаться в нее, творя «отрицательный» шлейф, т. е. все будет происходить наоборот: при росте кристалла из газовой фазы на его поверхности жидкие капли будут двигаться, образуя слои, а при испарении — слизывая их.

Обсудим сделанные наблюдения. Вот перечень вопросов, на которые надо ответить. Почему капли возникают? Почему, возникнув, они не «примерзают» к кристаллу, оставаясь неподвижными, а бегают по его поверхности? Почему за каплей и «положительный» и «отрицательный» шлейфы со временем расширяются? И еще одно «почему»: почему капля живет дольше, чем ей полагалось бы жить в соответствии с законом сохранения вещества? Неужели этот святой закон нарушается? Попытаемся ответить на эти вопросы, как говорят, в порядке их поступления.

Жидкая фаза — а капли жидкие! — является промежуточной между газообразной и кристаллической. И если кристалл подогрет почти до температуры плавления, то в условиях, когда происходит переход из газообразного состояния в кристаллическое и наоборот, появление промежуточной фазы кажется естественным. А реально происходит вот что. Вблизи поверхности растущего кристалла, в прилегающей к нему прослойке газа образуются зародыши капель, которые оседают на поверхности кристалла и подрастают до видимых размеров за счет притока атомов из пара. Если же кристалл испаряется, капли на его поверхности могут возникнуть в результате столкновений огромного количества блуждающих по ней одиночных атомов, которые оторвутся и улетят в пар, если им не представится случай принять участие в создании капли.

Обязательно надо помнить о том, что и в первом и во втором случае капли образуются на поверхности кристалла, вот-вот готового расплавиться. Это означает, что жидкость капель лишь незначительно переохлаждена. Ни капель, ни шлейфов за ними не было бы, если бы кристалл имел температуру существенно ниже температуры плавления; тогда атомы из паровой фазы падали бы на поверхность кристалла и «примерзали» к ней. Они смещались бы  настолько мало, что их взаимные встречи, необходимые для образования капли, были бы практически исключены.

Почему же капли не «примерзают» к поверхности кристалла? Это, действительно, странно — ведь жидкость великолепно смачивает собственную твердую фазу. Помните рассказы о капле ментола, осушенной ментоловой иглой, и о первой капле талой воды, рожденной снегом? Капле на поверхности горячего кристалла полагалось бы растечься, а не оставаться сферической! Видимо, между жидкой каплей и поверхностью кристалла имеется тончайшая газовая прослойка, и капля существует на ней, будучи как бы подвешенной в воздухе.

И еще: появлению жидкой капли на поверхности испаряющегося или кристаллизующегося из газовой фазы кристалла паратолуидина могут способствовать пары воды в атмосфере, окружающей кристалл. С водой паратолуидин образует сплав, который становится жидким при температуре ниже 44 °С. Паратолуидиновой капле, содержащей немного воды, проще быть жидкой при температуре ниже 44° С, чем капле чистого паратолуидина.

На второй вопрос ответ получился некатегорическим, но вполне правдоподобным.

Теперь о расширении шлейфов. Вот здесь полная ясность. Расширяются они потому, что шлейф создается не только движущейся каплей, но и одиночными атомами, которые при росте кристалла оседают на боковых торцах положительного, а при испарении кристалла отрываются от боковых торцов отрицательного шлейфа. Чем дальше участок бокового торца шлейфа от движущейся капли, тем больше времени с ним взаимодействуют одиночные атомы и тем шире он.

Закон сохранения вещества в процессе создания каплей шлейфа, конечно же, не нарушается. Создавая положительный шлейф, капля живет дольше, чем можно было ожидать, по причине очевидной: она себя расходует на создание шлейфа, но при этом питается за счет тех атомов, которые оседают на ней из паровой фазы. Вопрос о законе сохранения вещества в нашем перечне был последним, и ответом на него можно закончить рассказ о каплях со шлейфом.

Капельный след

Английский ученый лауреат Нобелевской премии Чарлз Томас Рисс Вильсон всю свою долгую творческую жизнь посвятил исследованию капель. Ему было 25 лет, когда он впервые попал в обсерваторию на вершине снежной горы Бен-Невис в Шотландии. Там он наблюдал грозу: тяжелые облака, сверкающие молнии, грозовые разряды, вершина Бен-Невиса в ореоле разноцветных колец, движущихся и меняющих окраску. Потрясенный красотой и загадочностью виденного, Вильсон решает посвятить себя исследованиям в области физики атмосферных явлений. А это значит, что надо начинать с изучения капель, образующих облака.

В судьбе капель его интересовало все: как они зарождаются и растут, как испаряются, как меняются под влиянием различных внешних обстоятельств.

О творческом труде Вильсона, длившемся 65 лет, может быть, никто бы и не узнал, кроме метеорологов и узких специалистов по физике дождя и облаков, если бы в 1911 году он не создал прибор, в котором благодаря каплям можно сделать видимыми траектории элементарных заряженных частиц. Этому прибору — он называется камерой Вильсона — суждено было сыграть исключительную роль в развитии физики в XX веке.

Первые исследования Вильсона были посвящены изучению механизма зарождения капель. У него были талантливые и искусные предшественники. Английский физик Айткен еще в 1870 г. поставил опыты по образованию капель в изобретенной им туманной камере. Конструкция этой камеры элементарна: цилиндрический стеклянный стакан с легкоподвижным и тщательно притертым поршнем, на дне стакана слой воды, над водой под поршнем влажный воздух. При быстром поднятии поршня в стакане образуется туман из множества капелек. Возникают они по причине очевидной: при быстром расширении воздух немного охлаждается, так как для того, чтобы расшириться в пустой объем, освободившийся вследствие смещения поршня, воздуху надо потратить часть своей энергии. То количество влаги, которое до расширения насыщало воздух под поршнем, после расширения, когда воздух охладился, частично оказывается в избытке и выпадает в виде отдельных капелек, образуя туман. Айткен  экспериментировал при очень небольших расширениях камеры и показал, что если воздух свободен от пыли или крупинок соли (их особенно много в атмосфере над поверхностью моря), то в момент расширения туман не возникает. Для его образования необходимы посторонние центры конденсации капель — «ядра Айткена».

Вильсон продолжил опыты Айткена, воспользовавшись его туманной камерой. Он экспериментировал много, тщательно, широко изменяя внешние условия, при которых капли могут или не могут зарождаться. Проследим шаг за шагом логику экспериментов Вильсона.

Шаг первый. Повторение опытов Айткена, сопровождаемое тщательным измерением коэффициента скачкообразного расширения камеры, т. е. отношения объема камеры после расширения к ее начальному объему (К). Результат: Айткен прав до значений К ≤ 1,252.

Шаг второй. Исследования формирования капель при значениях К 1,252 в воздухе, тщательно очищенном от посторонних примесей. Результат: до значения К = 1,370 в воздухе образуются крупные капли тумана, которые дождем падают на дно камеры; при К = 1,370, когда, как оказывается, пересыщение становится восьмикратным, процесс резко изменяется, в камере возникает густой, молочный, плотный туман. Предотвратить этот процесс оказалось невозможным. При таком огромном пересыщении центрами конденсации становятся комплексы случайно столкнувшихся молекул влаги. «Ядра Айткена» для этого не нужны.

Шаг третий. Он был сделан в 1896 г., вскоре после того, как Рентген открыл γ-лучи. Сквозь туманную камеру пропускались рентгеновские лучи. Результат: густой туман возникает и при К < 1,370. Догадка: возможно, ионы, которые образуются под влиянием рентгеновского облучения, являются центрами конденсации. Проверочный опыт: в облучаемом пространстве камеры установлены электроды, к которым подана разность потенциалов. Электрическое поле должно убрать ионы, и, если они являются центрами конденсации, образования капель не должно происходить. Опыт закончился предполагаемым результатом, подтвердил догадку.

Логическая строгость мысли и тщательность экспериментатора привели к крупному открытию. Его сущность можно сформулировать так: заряженные ионы являются  центрами конденсации капель в пространстве, пересыщенном влагой.

А затем последовало еще множество шагов. Каждый шаг — это сомнение, радостное и изнуряющее экспериментирование, тщательность, сопровождаемая ухищрениями, годы кропотливого труда, посвященные познанию капли. Было выяснено, что диаметр капель в густом тумане имеет размер около 0,1 микрона, что в 1 см^3 тумана около 100 000 000 капель, что на положительно заряженных ионах капли образуются легче, чем на отрицательно заряженных.

И, наконец, в 1911 году — решающий шаг.

Вильсон исходил из такого предположения: если в объеме камеры ионы распределены не хаотически, а закономерно, возникшие на них капли должны образовать не молоко равномерного тумана, а определенный ансамбль, повторяющий закономерность расположения ионов в объеме. Если в камере пролетит ионизирующая частица и на своем пути оставит цепочку ионов, капли, образующиеся на них при расширении камеры, составят капельный след. Частицу видеть нельзя, но можно увидеть путь, вдоль которого она пролетела. Был поставлен опыт: в камере помещался источник α-частиц, и в момент расширения объема камеры отчетливо наблюдались треки — капельные следы, вдоль которых α-частицы пролетели.

Видимо, в действительности все обстояло не так последовательно, строго и организованно, как здесь это описано: мысль — эксперимент — успех! Видимо, цепочка не была такой прямой. Путь к успеху лежал через случайные наблюдения, которые ускользнули бы от невнимательного глаза, через неудачные попытки воспроизвести случайное наблюдение, через минуты и дни отчаяния, когда казалось, что того случайного наблюдения в действительности и не было.

Семнадцать лет Вильсон изучал образование капель в своей лаборатории один, с глазу на глаз с туманной камерой, а после 1911 года камера Вильсона стала достоянием всего человечества: вильсоновские камеры разнообразных усовершенствованных конструкций используются почти во всех лабораториях мира, изучающих строение вещества.

Множество услуг науке оказала капля, рождающаяся в камере Вильсона. Об одной из них я расскажу подробнее: речь идет о роли, Которую сыграла капля в открытии первой античастицы — позитрона, несущей элементарный положительный заряд, по величине равный заряду электрона.

История открытия такова. Прямолинейный трек в камере сообщает о факте пролета частицы. Иногда, глядя на трек, можно понять, в каком направлении частица летела, но практически ничего нельзя сказать ни о ее заряде, ни о ее скорости, во всяком случае точно определить эти величины нельзя. Если же камеру поместить в магнитное поле, в котором заряженные частицы летят по дуге окружности, то по радиусу капельного следа при известном значении напряженности магнитного поля можно узнать о частице многое.

Магнитное поле создает силу, которая вынуждает заряженную частицу, летящую по прямой, изменить траекторию полета, перейти на траекторию, которая является дугой окружности. Радиус этой дуги для частицы с определенным отношением величины заряда к величине массы тем больше, чем больше скорость, и тем меньше, чем больше напряженность магнитного поля. А направление движения частицы по дуге окружности определяется знаком ее заряда. Таким образом, в разных условиях опыта, меняя напряженность поля, изменяя радиусы изогнутых орбит, можно получить важные сведения о летящей частице.

В 1932 году американский физик Андерсон, изучавший состав космических лучей, на фотографиях, полученных в камере Вильсона, которая находилась в магнитном поле, обнаружил капельные следы, изгибающиеся в разные стороны: следы начинались в одной точке и удалялись друг от друга. К этому времени уже было известно предсказание английского физика-теоретика Дирака о существовании позитрона. Согласно Дираку,исчезновение кванта лучистой энергии должно сопровождаться одновременным рождением двух частиц— электрона и позитрона. Энергия кванта превращается в массу и кинетическую энергию этих частиц. Было сделано естественное предположение, что на фотографии запечатлен предсказанный Дираком процесс, и так как частицы несут заряды разных знаков, магнитное поле отклоняет их в противоположных направлениях.

Предположение, действительно, естественное, разумное, но неоднозначное. А что если произошло чрезвычайно маловероятное, но принципиально возможное — камера зафиксировала треки двух электронов, из которых один летел из данной точки, а другой приближался к ней? В этом случае тоже будут два противоположно изогнутых капельных следа, встречающихся в одной точке. Чтобы исключить возможность такого толкования, Андерсон перегородил камеру Вильсона тонкой свинцовой стенкой, рассудив, что частица, пролетевшая через такую стенку, потеряет часть энергии и в магнитном поле будет двигаться по дуге с меньшим радиусом, что позволит точно определить направление полета: частица налетает на свинцовую перегородку с той стороны, где радиус кривизны оставляемого трека больше. С помощью этого остроумного приема он убедился в том, что две частицы, несущие одинаковый заряд, вылетают из одной точки и разлетаются в разные стороны. Одна из них — давно известный электрон, а вторая — впервые увиденный позитрон.

В действительности дело делалось не совсем так гладко и последовательно, как об этом здесь рассказано. Андерсон — чистейшей воды экспериментатор — мог и не знать о совсем недавнем предсказании теоретика Дирака, и обнаружение позитронного трека ему досталось в награду за экспериментальное мастерство и проницательность при изучении фотографий, полученных в камере Вильсона.

В истории открытия позитрона нас главным образом интересует капля, которая помогла увидеть новую частицу— крупинку антивещества!

Пузырьковая камера

В физических лабораториях она появилась сравнительно недавно, о ее рождении американский физик Дональд Глезер сообщил в 1952 году в апрельской книжке журнала «PhysicalReview» — «Физическое обозрение».

В тех лабораториях, где для обнаружения и исследования элементарных частиц десятки лет пользовались камерой Вильсона, в послевоенные годы стали появляться задачи, непосильные для нее. Она, восторженно именуемая «высшим кассационным судом в физике», не могла зарегистрировать частицы, обладающие очень высокими энергиями, поскольку такие частицы в газовой среде пролетают значительное расстояние, не вступив во взаимодействие ни с ядрами, ни с электронной оболочкой атомов газа. Если это расстояние сравнимо с размером камеры Вильсона, а тем более если существенно превосходит его — частицы пролетят сквозь камеру, ничего не сообщив о себе. Для регистрации таких частиц нужна камера, объем которой заполнен веществом более плотным, чем газ, даже если он сжат значительным давлением.

Легко следовать логике, когда уже известны пройденные, точнее, преодоленные трудности на пути к открытию. Эта легкость— привилегия рассказчика, глядящего на старт с финиша, кроме того, у него есть право на некоторые домыслы, касающиеся деталей пути. Воспользуемся этим правом, но будем помнить, что первооткрыватели идут путями резко индивидуальными и на поворотах руководствуются иногда не логикой, а интуицией, иной раз сворачивая в сторону без особых соображений.

Мысль Глезера, решившего создать замену камере Вильсона, вначале, видимо, развивалась, следуя законам формальной логики. Если в объеме камеры должен находиться не газ, то, следовательно,— либо твердое тело, либо жидкость. Твердое тело, вообще говоря, может оказаться вполне эффективным детектором частиц высокой энергии. Глезер, разумеется, знал о том, что толстослойные фотоэмульсии успешно применяются для регистрации быстрых частиц, приходящих из космоса. Но эти эмульсии, как, впрочем, и иное твердое тело, обладают существенным недостатком, который заключается в слишком стойкой памяти: трек, созданный быстрой частицей в твердом теле, существует долго в связи с тем, что атомы там перемещаются медленно, и много времени должно пройти, прежде чем изгладится дефектная область, созданная энергичной частицей.

Глезер стремился к созданию иного прибора, который надежно регистрировал бы частицы и быстро «забывал» о них, готовый к приему новых. Мысль обратилась к жидкости. Формальная логика уступила место соображениям по аналогии, точнее, по «антианалогии». В камере Вильсона газовая среда в момент регистрации частицы рождает жидкие капли, располагающиеся вдоль ее траектории. Быть может, ситуацию следует «обратить» и заставить жидкую среду рождать газовые капли? В этом случае проблема будет решена, так как удовлетворятся главные требования, предъявляемые к камере: жидкая среда активно тормозит быстрые частицы и способна скоро заполнять возникшие вдоль траектории газовые пузырьки, уничтожая их, готовя камеру к приему новых частиц. Дело как будто бы за малым: заставить жидкость рождать газовые пузырьки именно в момент, когда летит частица, и именно вдоль ее траектории. Способ рассуждать по аналогии и здесь мог оказать услугу. Газовая среда рождает жидкие капли в тот момент, когда она становится неравновесной, пересыщенной, и когда есть активные центры — ионы, на которых происходит конденсация избыточной влаги. Естественно предположить, что жидкость будет рождать пузырьки в момент наступления неравновесности, например, если вдоль траектории частицы в перегретой жидкости возникают причины, способствующие развитию этих пузырьков вследствие вскипания перегретой жидкости.

Известно, что жидкость длительное время может находиться в перегретом состоянии, не закипая. Особенно легко перегреть жидкость в сосуде под поршнем, который оказывает на нее давление, поскольку вскипание, т. е. образование в объеме жидкости газовых пузырьков, должно было бы сопровождаться увеличением ее объема, а когда этому препятствует поршень, вскипание затруднено. Если мгновенно снять нагрузку с поршня, находящаяся под ним перегретая жидкость закипит. Можно, однако, вскипанием управлять, задав те точки в объеме, где возникновение газового пузырька будет облегчено. Полагая, что такими местами могут быть точки вдоль траектории быстрой частицы, взаимодействующей с атомами жидкости, Глезер поставил великолепный эксперимент, обнаружил явление, которое следует именовать «эффектом Глезера». Стеклянную колбу он заполнил диэтиловым эфиром, который без особых предосторожностей легко можно перегреть более чем на 100 °С. Его точка кипения 34,6° С, а в колбе, с которой экспериментировал Глезер, он был нагрет до 140° С, оставаясь спокойным. Стоило, однако, поднести к стеклу колбы препарат, излучающий γ-лучи,— жидкий диэтиловый эфир мгновенно и бурно вскипал. Исчерпывающего понимания механизма этого явления нет. Быть может, дело в том, что в тех точках, где γ-квант (или ионизирующая частица) взаимодействует с атомами жидкости, локально повышается температура, и это провоцирует появление газового пузырька; быть может, возникшие при взаимодействии заряды располагаются на поверхности случайно возникших пузырьков и делают их более жизнеспособными в связи с тем, что, отталкиваясь друг от друга, расширяют пузырек. В данном случае важен факт: быстрая, энергичная частица, взаимодействуя с жидкостью, готовой вскипеть, создает активные точки, где это вскипание происходит в первую очередь.

Итак, все элементы будущей камеры налицо: быстрое снятие давления с перегретой сжатой жидкости способствует ее вскипанию, а пролетающая в жидкости ионизирующая частица делает это вскипание более легким вдоль траектории полета, которая оказывается отмеченной ниточкой «отрицательной росы». Все дальнейшее — дело техники.

Я не уверен в том, что мысль Глезера развивалась именно так, как представлено в очерке. Важен результат: он сумел предложить идею прибора, с помощью которого решаются сложнейшие задачи физики элементарных частиц.

В 1960 году, через 33 года после Вильсона, Глезер был приглашен в Стокгольм, где ему вручили медаль лауреата Нобелевской премии.

Из истории исследования электрона

Речь пойдет о почти шестнадцатилетнем периоде — с 1897 по 1912 год — в истории экспериментального изучения электрона, история попыток убедиться в его реальности и определить его заряд — одно из тех чисел, на которых, как на прочном и надежном фундаменте, покоится естествознание. История эта — отличный повод ознакомиться со многими свойствами капли, и, кроме того, она богата примерами великолепного экспериментального мастерства исследователей.

Пятнадцать лет экспериментаторы пытались узнать у капли заряд электрона, добивались, чтобы было названо искомое число. Но вопрос ставился нечетко, и поэтому ответ звучал расплывчато — был близок к истине, но с числом не совпадал. В долгих и упорных поисках вопрос выкристаллизовался, и возникла идея чистого, безупречного эксперимента с каплей.

Итак, рассказ об истории экспериментальных работ по определению заряда электрона. Как и всякую историю

(когда ее излагаешь), эту удобно условно разделить на последовательность отдельных этапов, хотя, конечно же, в жизни никаких этапов не существовало — исследования велись непрерывно.

Этап первый. 1897 год. Дж. Дж. Томсон. В нашем рассказе этот этап носит характер предыстории — в нем капля еще не участвует.

Дж. Дж. Томсон, третий директор знаменитой Кавендишской лаборатории, в этом году поставил серию опытов и показал, что заряженные частицы, возникающие при ионизации газа, и те, которые испускаются раскаленными металлами, несут на себе отрицательный заряд и имеют одинаковое отношение заряда к массе — не одинаковый заряд и одинаковую массу, а одинаковое их отношение, а оно ведь может быть одинаковым и при различных значениях соотносимых величин.

Чтобы убедиться в том, что Томсон во всех опытах наблюдал одну и ту же элементарную частицу с определенными зарядом и массой, нужно было в независимом опыте определить либо заряд, либо массу. Если окажется, что не только отношение этих величин одинаково, но, скажем, и заряды одинаковы, это будет означать, что Томсон открыл новую частицу. Любопытно, что частица, которая была открыта в 1897 году, за шесть лет до этого была предсказана как «естественная единица электричества» и названа «электроном».

Итак, после опытов Томсона возникли следующие экспериментальные задачи: во-первых, убедиться в том, что существует определенная «естественная единица электричества», носителем которой является электрон, и, во-вторых, если такая единица существует, определить ее физические характеристики, в частности заряд.

Этап второй. 1897 год. Дж. Таундсенд.

Таундсенд, ученик Томсона, работавший в его лаборатории, был первым, кто привлек каплю к участию в поисках величины заряда. Идея его опыта была по замыслу элементарно проста: в пространство, где имеется насыщенный водяной пар, извне вводится некоторое количество ионов. В опытах Таундсенда ионы выделялись на электроде электролизера, а затем поступали в камеру основной установки. Камера была заполнена паром, в котором после поступления ионов возникло облако капель. Таундсенд предполагал, что каждая капелька сформировалась вокруг одного иона и что все капельки имеют приблизительно одинаковый объем.

Средний объем капли Таундсенд определил по скорости ее свободного падения в воздухе. Эта скорость определяется с помощью формулы Стокса — с ней мы уже знакомились, когда обсуждали падение дождевой капли. Далее он с помощью электрометра определял общий заряд всего объема облака. В отдельном эксперименте о массе этого облака судили по увеличению веса осушающих трубок, через которые пропускалась изучаемая часть облака. Если массу облака разделить на массу одной капли, получится число капель; если общий заряд облака разделить на число капель, получится заряд одного иона. Из проведенных опытов следовало число е= (2,8—3,1) •10-10 электростатических единиц заряда.

Таундсенд проявил много остроумия и мастерства — и все же задал природе вопрос не лучшим образом. В его опытах, а затем и в обработке результатов много не вполне оправданных допущений. Во-первых, нет гарантии, что каждый ион — центр конденсации капли — несет один заряд; во-вторых, можно с уверенностью утверждать, что, вопреки предположению Таундсенда, не все капли в облаке одинакового размера; в-третьих, не исключено, что иные ионы, несущие заряд, не стали центрами образования капель; в-четвертых, Таундсенд не очень тщательно заботился о том, чтобы в пространстве, где изучалось падение капель, воздух был абсолютно неподвижен. Если во время опыта воздух хоть немного переместится, данные о скорости падения будут искажены, а значит, искажены будут и данные о размере и массе капель. Поэтому к величине заряда, найденной Таундсендом, надо относиться как к оценке. Оценку такой точности можно получить и на основании различных косвенных соображений и обработки результатов, полученных в опытах по прохождению тока в гальванической ванне.

Если задаться вопросом, в чем же в таком случае заслуга Таундсенда, которому не удалось пойти вперед по сравнению с гальваническими опытами, и почему его деятельность выделена в отдельный этап, ответить следовало бы так: в том, что он обратился к капле. Он понял, что макроскопическая капля — ведь даже если ее диаметр всего один микрон, она макроскопическая по сравнению с электроном — может помочь в поисках истины.

Этап третий. 1897 год. Дж. Дж. Томсон.

Томсон немного усовершенствовал приемы Таундсенда, сохранив основную идею эксперимента практически неизменной. Ионы он получал не в электролизере, а с помощью непрерывно работающей рентгеновской трубки. В те дни только-только стало известно, что рентгеновские лучи способны ионизировать воздух, и Томсон воспользовался новинкой. И еще одну совершенно «свежую» новинку применил Томсон. Незадолго перед его опытами стали известны результаты одного из его сотрудников — Ч. Т. Р. Вильсона, который показал, что внезапное расширение воздуха, содержащего влагу, приводит к образованию капель на ионах. Именно так Томсон и создавал капли. Он поставил эксперимент на более современном уровне, чем( Таундсенд, но, к сожалению, не улучшил, а, быть может, ухудшил условия его эксперимента, добавив пятый источник сомнений: так как капли возникали вследствие резкого охлаждения воздуха, есть основания подозревать, что за время, пока их температура уравнивается с температурой среды, они могут частично испаряться.

Томсон это, конечно, понимал, но, видимо, надеялся на то, что «в-пятых» себя не успеет проявить за время измерения и что, сравнивая упругость пара до и после внезапного расширения объема камеры, он точнее, чем Таундсенд, определит общую массу облака. Найденное им значение е лежало в интервале (5,5—8,4) •10-10 электростатических единиц. Томсон задал природе вопрос, быть может, в немного более изощренной форме, но от этого вопрос четче не прозвучал. И ответ оказался расплывчатым и, как увидим, далеким от числа.

Этап четвертый. 1903 год. Г. А. Вильсон (не Ч.Т.Р., а Г. А. Вильсон. Ч.Т.Р Вильсон в те годы неотступно продолжал исследование поведения капель в туманной камере).

Г. А. Вильсон сделал огромный шаг на пути к достоверному измерению заряда электрона. Начал он с усовершенствования методики. В камере, где находилось облако капель, сконденсированных на ионах, Вильсон параллельно располагал две латунные пластинки, к которым можно было подключить полюсы источника напряжения 2000 в. Экспериментальная процедура Вильсона состояла из последовательности двух опытов. В первом опыте, получая резким расширением облако заряженных капель (как это делал и Томсон), он определял скорость его падения (υ_1) в пространстве между латунными пластинками в отсутствие электрического поля. Во втором опыте он проделывал то же, однако в этом случае электрическое поле было включено и капли в облаке падали со скоростью υ_2 не только под влиянием одной лишь силы тяжести тg, как в первом случае, а под влиянием двух сил mg + еЕ, где Е — напряженность электрического поля. В обоих опытах Вильсон наблюдал не за всем облаком, а лишь за теми каплями, которые находятся в его вершине. Капли в вершине облака несут на себе самый маленький заряд, а следовательно, и испытывают на себе действие самой маленькой силы.

Должно иметь место равенство:

Но почему скорости, а не ускорения пропорциональны силам? Дело в том, что речь идет об установившемся движении в среде, когда ускорение равно нулю, а величина скорости пропорциональна силе,— это следует из формулы Стокса, которую в очерке о капле-шарике я просил запомнить, так как далее она понадобится. Именно здесь она и понадобилась.

В правой части формулы все известно, кроме массы капель. Как и его предшественник, Г. А. Вильсон определял массу капель, предварительно найдя их радиус по формуле Стокса, т. е. по скорости ее свободного падения в воздухе. Так Вильсон сумел обойтись без произвольного допущения своих предшественников, которые предполагали, что число капелек равно числу отрицательных ионов. Сформулированный им вопрос природе звучит четче. К сожалению, однако, достаточно было оставшихся в эксперименте неточностей, чтобы на ответ наложились помехи. Вильсон, например, предполагал, что в двух последовательных расширениях камеры (ему для нахождения υ_1 и υ_2 нужны были два расширения!) возникают облака, абсолютно совпадающие по характеристикам. В действительности это не так хотя бы потому, что вариант, при котором облака будут идентичны, единственный, а вариантам, при которых они будут отличаться, нет числа! Кроме того, за время падения водяные капельки могли немного испаряться или, например, мелкие капли могли исчезать, съедаемые более крупными.

Найденное Вильсоном максимальное значение заряда было вдвое больше минимального. Для ищущего истину такой результат неутешителен.

Этап пятый. 1909 год. Р. А. Милликен.

Вслед за Вильсоном Милликен сделал несколько шагов вперед на пути к точной формулировке вопроса. Его опыты — их логика и исполнение — исключительно умны и красивы.

Существуют естествоиспытатели, которые пытаются увидеть явление в целом, посмотреть на него с неожиданной стороны. Они легко и точно улавливают связи нового явления с известными, ставят эксперимент так хитро и неожиданно, что поиск заканчивается очень убедительным доказательством факта существования явления. Это очень ценная и нужная категория исследователей, но в их лабораториях устанавливаются факты лишь качественно, выяснение точных характеристик явления их мало заботит. Милликен относится к принципиально иной категории исследователей. Я очень внимательно читал его книгу — подробный отчет об экспериментах с заряженными каплями, и меня не покидало чувство восхищения перед великолепным экспериментальным мастерством, скрупулезным в такой мере, что иному оно может показаться выражением не столько оправданной тщательности, сколько болезненной придирчивости. Его предшественники, по существу, в своих опытах могли определять лишь статистически среднюю величину зарядов, поскольку они не отличали каплю, образовавшуюся на однозарядном ионе, от той, которая сформировалась на ионе многозарядном, так как экспериментировали с облаком — ансамблем капель различных и по величине и по заряду. Милликен решил экспериментировать с одной каплей, подолгу удерживая ее между пластинами конденсатора.

Вначале и Милликен экспериментировал с водяными каплями. Все, что с ними может происходить, он подробнейшим образом исследовал. Для надежной обработки результатов измерений необходимо точно знать размер капель, и Милликен его определял по скорости падения капли в воздухе. Между экспериментально найденной скоростью и значением радиуса — расчет по формуле Стокса. Возникает сомнение: быть может, эта формула ненадежна в применении к микроскопическим каплям? Милликен ставит сотни опытов с целью внести нужные поправки в формулу Стокса и достигает необходимой точности в определении радиуса. Вот одно из значений радиуса капли, изучавшейся Милликеном: 0,000197 см.

Капля может в процессе измерения испаряться, терять массу. Ставится такой опыт. Одна заряженная капля уравновешивается полем и останавливается между пластинами конденсатора. Со временем капля начинает подниматься вверх. Это значит, что, частично испарившись, она стала легче, и сила, создаваемая электрическим полем, начинает превосходить силу тяжести. В опыте поле уменьшается ровно настолько, чтобы капля опять стала неподвижной. Измерив необходимое для этого уменьшение напряженности поля, Милликен определяет скорость испарения капли и учитывает ее при обработке результатов измерений.

Во время опыта капля может изменить свой заряд. Ставятся специальные опыты для исследования этой возможности. Ведется длительное наблюдение за движущейся каплей и устанавливается, что в случайные моменты времени капля скачкообразно меняет скорость своего падения,— это естественно объясняется потерей или приобретением заряда. Становится ясным, что скачкообразные изменения скорости оказываются в точности такими, какими они должны быть, если заряд может принимать лишь значения, кратные некоторому минимальному. Наблюдаются капли, несущие самое различное число элементарных зарядов — от 1 до 150. Так как точность измерения ограничена, то при большем числе зарядов изменение их числа наблюдается с меньшей достоверностью. Однако, как пишет Милликен, «когда число их не превышает пятидесяти, то ошибка тут так же невозможна, как и при подсчете собственных пальцев». Эти опыты — безусловное основание для Милликена утверждать, что электрический заряд «обладает резко выраженным зернистым строением».

Милликен оказался тем счастливым естествоиспытателем, который сумел надежно доказать «зернистость» электрического заряда и определить число —заряд «зернышка»— электрона. Вот это число: е = (4,770 + 0,005)•10-10 электростатических единиц. Указана оправданная погрешность измерения, и это придает числу достоверность.

ЖИВЫЕ КАПЛИ

Столяру Джузеппе попалось под руку полено, которое пищало человеческим голосом.

Алексей Толстой

Капля живого серебра

На языке многих народов ртуть именуется живым серебром, видимо, за блеск и за способность легко перекатываться по твердой поверхности.

В этом очерке — рассказ об опыте, в котором «живость» ртути самоочевидна. Этот опыт в нашей лаборатории проделывали много раз и наблюдали за ним и невооруженным глазом и с помощью кинокамеры. Ставится опыт так. В плоскодонной стеклянной кювете — капелька ртути и неподалеку от нее кристаллик двухромовокислого калия. Затем в кювету наливается такое количество слабого раствора соляной кислоты в воде, чтобы и капля и кристаллик были покрыты раствором. Надо позаботиться

о  том, чтобы дно кюветы было плоским и установлено горизонтально. На этом подготовка опыта закончена, теперь следует только наблюдать, глядя на кювету сверху. Кристаллик начинает растворяться, образуя расширяющееся темное облако. Когда край этого облака касается ртутной капли, капля начинает энергично набрасываться на кристаллик. Именно энергично и именно набрасываться, сдвигая кристалл с места, обволакивая его, неожиданно отскакивая в сторону и затем снова набрасываясь. Во время этого процесса капля деформируется, приобретая причудливые формы. Если случайно капля оказывается окруженной равномерным облаком, она успокаивается и ее контур становится круглым. А затем, когда окружение капли слегка изменится, все начинается снова.

Причину такой «живости» капли ртути можно понять, внимательно просмотрев отдельные кадры кинофильма, особенно те, на которых она запечатлена в непосредственной близости от кристаллика. Оказывается, набрасываясь на кристаллик, капля приобретает такое очертание: на лобовой части ее поверхность выпукла, а на тыльной — вогнута. Эта форма создает впечатление, будто кто-то невидимый с тыльной стороны толкает каплю по направлению к кристаллику, вминая ее поверхность.

Дело в том, что раствор, обогащенный молекулами двухромовокислого калия, понижает поверхностное натяжение ртути, и поэтому вдоль периметра капли оно становится неодинаковым, понижаясь на лобовой стороне. Это обстоятельство, вообще говоря, могло бы и не привести к движению ртутной капли по направлению к кристаллику.

Капля ртути, подталкивая кристаллик хромпика, бегает но кругу

Вполне разумными и грамотными являются такие рассуждения: поскольку в любой точке объема ртутной капли давление должно быть одинаковым, контур капли должен стать таким, чтобы лапласовское давление, приложенное к любой точке поверхности капли ртути, было одним и тем же, т. е. чтобы на поверхности выполнялось следующее условие: Р≈ α / R — величина постоянная вдоль всей поверхности капли. Это означает, что там, где меньше α, меньшим должно быть и R.

Вблизи кристаллика капля двухро мовокислого калия должна приобрести грушевидную форму, узкой стороной обратившись к кристаллику. Такую форму приобрел бы резиновый шарик, если бы на одном из его участков резина была потоньше. В этом примере толщина резины пропорциональна величине поверхностного натяжения.

Изложенные соображения справедливы лишь в случае установившегося равновесия, т. е. когда выполняются два условия: первое — ртуть в капле перераспределилась так, что ее форма удовлетворяет условию постоянства лапласовского давления в любой точке поверхности, второе — химический состав среды, окружающей каплю, со временем не изменяется. В действительности, однако, в нашем опыте все далеко от равновесия. Капля не успевает «подстроить» свою форму к возникшему на ее поверхности распределению величины поверхностного натяжения, лапласовское давление, приложенное к тыльной части, оказывается большим, чем приложенное к лобовой. Разница этих давлений и есть тот «невидимый», который толкает каплю на кристаллик. Сложная пляска капли вокруг кристаллика отражает сложное и непостоянное во времени несоответствие истинной формы капли и образовавшегося распределения поверхностного натяжения вдоль ее поверхности.

Мы попробовали обуздать каплю и поступили следующим образом. Из плексигласа изготовили кювету в форме замкнутого кругового канала. Расположили ее горизонтально. В канал поместили каплю ртути, достаточно большую для того, чтобы, расплющившись под влиянием силы тяжести, она коснулась стенок канала. Заполнили кольцевую кювету соляной кислотой и перед ртутной каплей положили кристаллик двухромовокислого калия. Капля набросилась на кристаллик и стала активно толкать его перед собой вдоль кольцевого канала. Зрелище оказалось захватывающим: возникает иллюзия движения живого существа, оно жадно набрасывается на пищу и движется до тех пор, пока она не израсходована.

Кардиограмма ртутного сердца

Из множества особенностей и свойств истинного сердца ртутное обладает лишь одним — способностью пульсировать, ритмически сокращаться и расширяться. Ртутному

Сердцу неведомы ни боль, ни перебои, ни волнение. Лишенное многих свойств истинного сердца, оно перед ним имеет безусловное, завидное преимущество — может остановиться, сколь угодно долго просуществовать бездействуя, а затем снова ожить.

У нас в лаборатории, в шкафу, где хранятся химические реактивы, живет ртутное сердце. Конструкция его несложна: фарфоровая чашка с гладким вогнутым дном, на дне чашки — капля ртути, залитая толстым слоем слабого водного раствора соляной кислоты, в который положена крупинка соли двухромовокислого калия. Фарфоровая чашка прикрыта стеклянной пластинкой, в пластинке укреплена гайка с микрометрическим винтом, заканчивающимся острой железной иголкой. Вращая винт, иголку можно опустить до соприкосновения ее острия с поверхностью ртутной капли, тогда сердце сразу же начинает работать, т. е. капля начинает периодически пульсировать.

Чтобы сердце работало надежно, игла должна коснуться капли либо в ее центре, либо в одной из точек на ее контуре.

Пульсации ртутного сердца — зрелище впечатляющее: на чистой поверхности капли возникают переливающиеся блики причудливой формы, и контур капли приобретает быстро меняющиеся очертания, которые повторяются в каждом очередном цикле пульсаций. Сердце работает без устали: мы оставляли его на час, на два, а однажды оставили на ночь и утром нашли пульсирующим.

Теперь о механизме пульсаций ртутного сердца — капли ртути, которая непрерывно вздрагивает от соприкосновения с железной иглой.

Вначале о двух эффектах, с которыми необходимо ознакомиться, чтобы понять причину пульсаций ртутной капли. Первый эффект заключается в понижении поверхностной энергии металла, если на его поверхности имеется избыточный электрический заряд. Проще всего это понять на примере жидкой металлической капли. Например, капли ртути. Пусть радиус капли Я. Если она не заряжена, вещество, находящееся в ее объеме, будет испытывать сжимающее давление Рл= 2α/R. Оно обусловлено искривленностью поверхности и величиной поверхностной энергии. Допустим теперь, что по поверхности капли распределены заряды, величина которых q. Очевидно, носители этого заряда будут отталкиваться друг от друга с силой, величина которой в соответствии с законом Кулона будет пропорциональна q^2/R^2. Эта сила обусловит растягивающее давление. Его величину можно оценить, отнеся растягивающую силу к площади сечения капли S ~ R^2. Растягивающее давление, как легко видеть, пропорционально величине Pq ~ q^2/R^4

Эти соображения и оценки нам уже встречались

в очерке об опыте Рэлея — Френкеля. Они нужны были для того, чтобы понять причину разрыва капель в электрическом поле. Давление Рq вычитается из лапласовского. Это означает, что при неизменном объеме сферической капли, и следовательно при постоянном радиусе, наличие на ее поверхности электрического заряда приведет к понижению сжимающего давления, которое равно Рi=Рл — Pq = 2αi/R

Это обстоятельство может быть представлено как следствие понижения поверхностной энергии на величину Δα = α — αi .

Из равенства, которое определяет Рi следует, что

Δα ≈ q^2/R^3 ≈ q^2

Я не стремился к тому, чтобы расчет был точен,— важно иметь лишь основание утверждать, что величина понижения поверхностной энергии не зависит от знака заряда, находящегося на поверхности. Порукой тому — квадратичная зависимость величины понижения поверхностной энергии от величины заряда.

Все это нам необходимо знать, так как капля ртути в растворе соляной кислоты, принимая участие в химической реакции, получает заряд, и поэтому поверхностное натяжение на границе капля ртути — раствор понижается. Не будем подробно интересоваться процессами на этой границе, так как для нас неважен знак заряда, возникающий на ней.

С помощью простого опыта легко убедиться в том, что в момент, когда железная игла соприкасается с поверхностью ртути, величина заряда на ней уменьшается, а вместе с ним уменьшается и то понижение поверхностной энергии, которое наступило, когда капля ртути была залита раствором соляной кислоты. Два последовательных отрицания равносильны одному утверждению: уменьшение понижения означает повышение. В момент прикосновения железной иглы к поверхности ртути ее поверхностное натяжение немного увеличивается. Следствием этого увеличения должно быть некоторое сжатие капли, которая на дне чашки под собственной тяжестью расплющилась, и частичное приближение ее формы к сферической. Это отчетливо наблюдается, если в центре капли в ее тело погрузить металлическую иглу; капля вздрогнет, и ее диаметр явно уменьшится. Мы проделывали этот опыт многократно на каплях различных размеров. Оказалось, что, чем меньше радиус расплюснутой капли, тем больше его относительное уменьшение, но уменьшение происходит всегда.

Биение ртутного сердца. Железная игла касается контура капли

Вот теперь можно понять механизм пульсаций. Начнем со случая, когда железная игла касается ртути в точкена контуре капли. В момент соприкосновения иглы с поверхностью ртути — соприкосновения, а не внедрения!— ртутная капля уменьшает диаметр, и контакт между нею и иглой нарушается. После этого величина поверхностной энергии должна возвратиться к значению, которое было до соприкосновения иглы с каплей, т. е. должна понизиться, и радиус ртутной капли возрастает. Это значит, что капля соприкоснется с иглой и все начнется снова: сокращение капли, нарушение контакта, расширение капли, восстановление контакта и т. д.

Биение ртутного сердца. Железная игла касается макушки капли

Интересен механизм возникновения пульсаций в том случае, когда игла прикасается к поверхности ртути не на контуре капли, а в ее центре, в макушке. Казалось бы, наступающее при этом повышение поверхностного натяжения должно сопровождаться поднятием макушки и образованием ненарушающегося контакта с иглой. Если контакт ненарушающийся — пульсаций быть не может. В действительности, однако, происходит иное. Макушка капли чуть наползает на иглу, а затем под действием силы тяжести отрывается от нее. Этот первый импульс дает толчок колебаниям. Капля раскачивается, «сердце» начинает пульсировать.

Любопытная деталь: при переносе иглы с контура капли на ее макушку частота пульсаций увеличивается. Это совершенно аналогично повышению частоты колебаний гитарной струны, если пальцем прижать ее к грифу посредине между точками закрепления. В случае капли — игла, а в случае струны — палец, создавая узел, уменьшают длину волны колебаний и, следовательно, повышают их частоту.

Необходимо подчеркнуть, что ртутное сердце отнюдь не вечный двигатель. Во время его работы расходуется энергия, выделяющаяся при химической реакции между ртутью, железом, соляной кислотой и двухромовокислым калием. В этой реакции расходуются исходные компоненты, и она прекратится, _ когда, скажем, будет съеден железный гвоздь. В «невечности» ртутного сердца можно легко убедиться, взяв вместо гвоздя тонкую проволочку. Скоро контакт между каплей и проволочкой перестанет воспроизводиться, так как кончик проволоки будет съеден. Чтобы «сердце» опять заработало, надо проволочку придвинуть к капле: явно —  не вечный двигатель!

Задумали мы снять кардиограмму ртутного сердца. Много сведений из нее не из влечешь, разве только определишь количество пульсаций в секунду, а их можно просто посчитать, наблюдая за каплей, или для верности воспользоваться кадрами кинофильма. И все-таки снять кардиограмму любопытно. У нашего лабораторного «сердца» диаметр капли ртути 4 см, игла касается его контура, и пульсирует оно с частотой 120 ударов в минуту.

Вначале решили воспользоваться работающим сердцем как прерывателем электрической цепи, регистрируя моменты включения и выключения с помощью самопишущего прибора. От этой мысли, однако, отказались, так как любое электрическое вмешательство в ртутное сердце неизбежно исказит его пульсации. Поступили по-иному. Тоненький луч света направили на зеркальную поверхность пульсирующей капли, а отраженный от нее мечущийся луч подавал сигнал на самописец, который и записал кардиограмму. На кардиограмме видна последовательность чередующихся максимумов и минимумов, четких, строгих, периодических, без перебоев, на зависть иному человеческому сердцу.

Капля, движущаяся в кристалле

Как капля жидкости могла оказаться внутри твердого кристалла? С ответа на этот вопрос и начнем очерк.

Начнем издалека, с момента зарождения кристалла. Представим себе, что будущий кристалл — пусть для определенности это будет кристалл какой-нибудь соли — должен зародиться и вырасти из ее водного раствора вследствие выпадения избыточной соли. Скажем, температура раствора понизилась - и некоторое количество соли оказалось избыточным. Оно и является строительным материалом для кристалла. Вначале появится микроскопический кристаллик — зародыш, а затем он будет подрастать по мере осаждения на нем атомов соли из раствора. В реальных условиях роста, где-то в земных недрах, обстоятельства могут сложиться так, что растущий кристалл случайно захватит в свой объем капельку материнского раствора. Захватит и будет продолжать расти. И через некоторое время эта капелька окажется в объеме кристалла, вдали от поверхности: ведь любая точка в объеме кристалла некогда была на его поверхности.

Все может произойти и по иному механизму. Допустим, что кристалл будет расти в процессе замерзания раствора. Удобнее всего в качестве примера иметь в виду соленую морскую воду, которая с наступлением морозов превратится в кристаллы льда. Концентрация соли во льду в соответствии с законами физики немного ниже, чем в воде. Это значит, что, вырастая, кристаллы льда будут оттеснять соль в воду. И еще из законов физики следует, что, чем больше концентрация соли в воде, тем при более низкой температуре она кристаллизуется. Эти два следствия физических законов оправдывают существование в кристаллах льда жидких капель раствора соли в воде: обогащенная солью вода кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура льда, в котором находится жидкое включение. А попасть в объем кристалла льда соленые капли могли так же, как и в предыдущем примере: растущий кристалл их мог случайно захватить.

Итак, в объеме кристалла имеется капелька насыщенного раствора его вещества. Вначале — о форме этой капельки. Если капля «маленькая» (в том смысле, который обсуждался в очерке об опыте Плато), ее форма будет такой, при которой энергия на границе капелька — кристалл окажется минимальной. В опыте Плато капля жидкости граничит с жидкостью, аморфное вещество с аморфным веществом. Это значит, что поверхностная энергия границы во всех направлениях одинакова, и поэтому наименьшей энергия всей границы будет тогда, когда наименьшей будет ее поверхность. Для этого капля должна принять сферическую форму. Если же жидкая капля расположена в кристалле, аморфное тело граничит с кристаллом, энергия границы жидкость — кристалл, как и поверхностная энергия границы кристалл — воздух, будет зависеть от направления. В этом случае наименьшей полная энергия границы будет у капли несферической формы. Капля приобретает равновесную огранку, такую, какую продиктует ей равновесная огранка кристалла; например, капля в объеме кристалла каменной соли будет кубической, в других кристаллах она будет иметь более сложную форму — восьмигранника, пирамид, которые сложены основаниями, и т. д.

«Немаленькая» капля деформируется силой тяжести. Это во всяком случае происходит с каплей, которая свободно лежит на твердой поверхности. И нет основания для того, чтобы капля в кристалле не испытывала на себе действия этой силы. Складывается непростая ситуация: капля стремится расплющиться, так как при этом понизится ее центр тяжести и уменьшится ее потенциальная энергия, а кристалл — сохранить полость, содержащую каплю, такой, при которой энергия ее поверхности будет наименьшей. Любое изменение формы равновесной полости приведет только к увеличению ее поверхности, а значит и поверхностной энергии. В этой противоречивой ситуации капля и кристалл находят оптимальное решение.

Естественно может возникнуть недоумение: неужели капля способна вынудить кристалл изменить свою форму? Усилиям наших пальцев массивный кристалл соли не поддается, как же он подчиняется воле капли? Дело в том, что капля может сделать то, чего не могут сделать наши пальцы; она растворит в себе немного соли с боковых поверхности полости и поможет этой соли переместиться на верхнюю поверхность. Таким образом, верхняя поверхность приблизится к нижней, и центр тяжести понизится, а с ним понизится и потенциальная энергия капли.

В ископаемых минералах, в частности в естественных кристаллах солей, тысячелетия подвергавшихся действию силы тяжести, можно найти множество жидких приплюснутых включений. Выть может, именно сила тяжести их и расплющила?

Я вспоминаю великолепный кинофильм, который был снят Г. Г. Леммлейном в первые послевоенные годы. Главными героями этого фильма были кристаллы натриевой селитры с жидкими включениями — каплями раствора натриевой селитры в воде. Особенно запомнились два эпизода, которые впоследствии Леммлейн описал в одной из своих статей.

Сценарий первого эпизода был следующим. Поверхность кристалла натриевой селитры с жидким включением — каплей — ярко освещалась мощной лампой. Небольшой участок поверхности, вблизи которого было включение,— зачернен. Оказывается, капля начинает медленно двигаться по направлению к черному пятнышку. Съемка велась в замедленном темпе, чтобы при демонстрации ленты с обычной скоростью движение капли можно было отчетливо наблюдать.

Жидкая капля самопроизвольно движется в твердом кристалле по направлению к лампе! Возникают вопросы: к излучаемому ею свету? или к теплу? почему движется? как движется?

Движется капля не к свету, а к теплу. В этом легко убедиться с помощью простого контрольного опыта, например такого: поднести к кристаллу несветящийся источник тепла.

Ответы на вопросы «почему» и «как» можно совместить. Дело в том, что растворимость натриевой селитры в воде очень сильно зависит от температуры и даже при малом ее повышении заметно возрастает. Если к капле направлен поток тепла — от лампы или любого другого источника,— на лобовой ее поверхности температура будет немного выше, чем на тыльной. Это означает, что на лобовой, более горячей, поверхности натриевая селитра будет растворяться, а на тыльной, более холодной, возникший в капле избыток соли будет осаждаться. А это и означает, что капля будет двигаться по направлению к теплу. Скорость движения в опытах Леммлейпа была небольшой — приблизительно 10-7 см/сек, но важна не величина скорости, а принципиальная возможность на первый взгляд курьезного явления: жидкая капля движется в кристалле! Как следует из рассказанного, реально движется не капля, а атомы вещества кристалла, растворившиеся в ее объеме, но результат такого движения атомов мы воспринимаем как движение капли в кристалле.

Маленькое жидкое включение в монокристалле натриевой селитры движется по направлению к крупному включению и поглощается им

Второй эпизод в фильме был еще интереснее. В нем тоже была заснята маленькая движущаяся капелька в кристалле, однако лампа в этом никакого участия не принимала. Опыт был задуман хитро. В непосредственной близости от маленькой капли, движение которой надо было наблюдать, находилась крупная капля неправильной формы. В процессе преобразования ее формы в более правильную уменьшалась поверхность, и значит выделялась некоторая энергия, которая ранее была связана с поверхностью, а затем превратилась в тепло. Вот эта уменьшающая свою поверхность капля играла роль источника тепла, по направлению к которому двигалась маленькая капля. В заснятом эпизоде маленькая капля движется к большой и сливается с ней.

Успех опытов Леммлейна был предопределен удачным выбором объекта или, точнее, тем, что растворимость натриевой селитры в воде очень существенно меняется с изменением температуры. И поэтому даже незначительная разность температур между лобовой и тыльной стенками оказывается достаточной, чтобы движение капли можно было заметить за «удобное» время, а не за тысячи лет, например.

Леммлейн был пионером, а после него появилось множество исследований, посвященных движению жидких капель в кристаллах.

Быть может, любопытное явление — движение капель в кристалле — и не привлекло бы к себе внимания, если бы оно было подобно соловьиным трелям, которые, как известно, до сих пор в инженерной практике не применялись. Но оказалось, что движение капель можно использовать для решения многих практически важных задач. Назовем для примера две из них.

Получение пресной воды из морской. В процессе замерзания морской воды образуются капли с повышенным содержанием соли. Если их изгнать из льда, оставшийся лед, свободный от капель, будет содержать соль в количестве меньшем, чем морская вода, т. е. окажется частично опресненным.

Упрочнение льда. В условиях Крайнего Севера лед — строительный материал, и важно, чтобы он был прочным. Его прочность, однако, понижается из-за содержащихся в нем жидких капель. Надо освободиться от них, и тогда лед станет более прочным. Сделать в принципе это можно, заставив капли двигаться до тех пор, пока они не выйдут из льда.

Процесс частичного освобождения льда от капель происходит и самопроизвольно. Глубинные слои льда ближе к воде более теплые, чем те, которые граничат с холодным воздухом, и, следовательно, капли соленой воды будут двигаться по направлению к воде. Вот почему глубинные слои льда оказываются и менее солеными и более прочными.

Капля в кристалле явно достойна внимания естествоиспытателей.

Дипломная работа студента

Вспомните детскую (и не только детскую) забаву — почти горизонтально швырять плоские камешки на спокойную поверхность реки или моря и следить, как они скачут по водяной глади, многократно отражаясь от поверхности воды. Скачущий камешек оставляет за собой последовательность круговых волн, расходящихся от тех точек, где он соприкасался с водой. Вскоре волны затухают, и вода не сохраняет воспоминаний о камешке, проскакавшем по ней.

Камень, брошенный с недостаточной скоростью неумелой рукой, может, разок подпрыгнет, а скорее всего при первом соприкосновении с водой пойдет ко дну. Мастерство бросающего заключается в том, чтобы швырнуть камешек с максимальной скоростью и под очень малым углом к поверхности воды. В этом случае составляющая скорости, направленная в воду, мала, соприкосновение камня с водой происходит импульсно, и по отношению к такому воздействию на нее вода ведет себя почти как твердое тело. В очерке «Капля камень долбит» об этом свойстве воды рассказано подробно.

Можно представить явление, которое выглядит диаметрально противоположно описанному выше: жидкая капля, брошенная с большой скоростью и под малым углом на поверхность кристалла, скачет по этой поверхности. Такое явление должно иметь место и наблюдается, например, тогда, когда из брандспойта поливают асфальт. В самом конце струи, там, где асфальт еще не смочен водой, можно наблюдать скачущие капли. Они оставляют на асфальте мокрые пятнышки. Капель много, и очень скоро становится невозможным проследить за последовательностью пятнышек, оставляемых одной каплей.

Недавно в нашей лаборатории совершенно неожиданно студент-дипломник наблюдал капли, скачущие по твердой поверхности, когда ставил эксперименты по взрыву металлических проволочек, вплавленных в кристалл каменной соли.

Эксперимент заключался в следующем. Через проволочку импульсно пропускался электрический ток большой силы, и она взрывалась. Затем с помощью микроскопа исследовалась структура области кристалла вблизи взорвавшейся проволочки. При некоторых условиях осуществления взрыва кристалл растрескивался, и на оголившихся поверхностях можно было наблюдать пунктирные линии, состоявшие из пятнышек, которые оставила скачущая капля расплавленного металла проволоки.

Пунктирная последовательность следов во всех случаях завершалась каплей, которая, израсходовав свою энергию в скачках, прилипла к поверхности и закристаллизовалась на ней.

По фотографиям можно проследить некоторые особенности скачкообразного движения капли на поверхности кристалла. Но прежде чем это сделать — немного теории.

Допустим, что жидкая капля, радиус которой R, падает на плоскую поверхность под малым углом φ между поверхностью и направлением скорости. Если бы капля обладала свойствами абсолютно упругого тела, т. е. без потерь энергии отражалась от поверхности кристалла по закону «угол падения равен углу отражения» и воздух не препятствовал ее полету, она скакала бы по его поверхности сколь угодно долго и длина скачка l оставалась бы неизменной. Эту длину легко вычислить. Воспользуемся обозначениями, которые указаны на рисунке. Очевидно, в направлении, параллельном поверхности кристалла, капля, имея скорость υ_1= υ_0cosφ, будет лететь в течение всего того времени, которое понадобится ей для того, чтобы в поле земного тяготения вначале подняться от поверхности на максимальную высоту, а затем с этой высоты спуститься на поверхность кристалла. Это время -

τ = 2υ_1/g

В приведенных формулах мы воспользовались тем, что φ мало. Только в этом случае можно считать, что cosφ ≈ 1, a sinφ ≈ φ.

Так было бы, если бы выполнялись обусловленные идеальные обстоятельства. В действительности капля, прыгая по твердой поверхности, теряет энергию. Во-первых, полету препятствует воздух и часть энергии расходуется на преодоление его сопротивления. Во-вторых, в момент удара капля вязко деформируется, а затем, оттолкнувшись от поверхности, восстанавливает свою форму. И на это необходима энергия. В-третьих, в каждой точке, где капля коснулась твердой поверхности, остается жидкое пятнышко. Его появление можно представить себе как отщепление от капли жидкой пластинки, т. е. появление двух свободных поверхностей жидкости, площадь каждой из которых равна площади оставленного пятнышка. При этом расходуется энергия Ws= 2а•S, где S— площадь пятнышка. Точно учесть все потери энергии скачущей капли — дело совсем не простое, так как они зависят от очень многого: скорости полета, массы капли, вязкости и поверхностного натяжения вещества капли. Величина этих потерь изменяется от скачка к скачку. Если сделать заведомо упрощающее предположение, что в каждом очередном скачке капля теряет одну и ту же энергию W, изменяя при этом массу незначительно, можно определить длину n-го скачка (lп) с помощью формулы, которая следует из предыдущей:

Полученная формула свидетельствует о том, что каждый следующий скачок должен быть короче предыдущего. Кроме того, из нее следует, что общее число скачков не может быть больше, чем п* = W_0/ΔW. Фотографии подтверждают сделанные выводы: последующий скачок действительно короче предыдущего, и число скачков ограничено.

Так как конец пути капли на фотографиях запечатлен достовернее начала, можно надежно выяснить судьбу капли, прослеживая ее траекторию в направлении, противоположном направлению полета. Оказывается, что перед самым финишем на последнем этапе капля (которая изображена на приведенной фотографии) весила всего 4.10-8 г и имела энергию ~3.10-6 эрг, т. е. ее скорость была немногим больше 10 см/сек.

Жидкая металлическая капля скачет по поверхности кристалла соли

А на предпоследнем этапе, с учетом того, что его длина и масса капли были большими, скорость полета капли оказывается существенно большей — около 100 см/сек. Двигаясь так от конца пути к его началу, можно восстановить все характеристики скачкообразного движения капли и вычислить, сколько и на что она тратила свою энергию при каждом очередном столкновении с поверхностью. Здесь мы этого делать не будем. Это сделал студент в своей дипломной работе.

Каплеподшипники

Иные идеи привлекают не столько практическими последствиями, сколько неожиданностью поворота мысли, талантливой курьезностью. Эстетическое наслаждение доставляет неожиданный взгляд на известное явление или процесс, решение, которое, казалось бы, на виду у всех, а заметил его кто-то один — более зоркий, менее предубежденный.

Идея каплеподшипников была высказана Я. И. Френкелем в 1950 году. В «Журнале технической физики» появилась короткая, в одну страничку, заметка, в которой излагалась идея и высказывалась надежда на то, что она, эта идея, быть может, окажется полезной приборостроителям. Существо идеи заключается в возможности замены в шарикоподшипниках стальных шариков жидкими каплями. Капли не смачивают поверхность гнезда и благодаря этому сохраняют свою индивидуальность. Правда, неожиданно? Каленую сталь предлагается заменить жидкостью!

Осуществить такую замену, пусть в небольших и не очень нагруженных подшипниках, заманчиво, так как технология изготовления стальных шариков, диаметр которых должен выдерживаться с большой точностью, очень сложна и дорога.

Идея возникла после того, как были подробно и тщательно изучены закономерности движения свободной капли по наклонной плоскости и капли, расплющенной между двумя пластинками, из которых одна покоится, а другая — движется. Имеется в виду, что вещество капли плохо смачивает или не смачивает твердую поверхность.

Чтобы капля двигалась, ей совсем не нужно быть сферической. Капля жидкая, и потому она может перемещаться вследствие переливания жидкости сзади (и сверху) вперед (и вниз). Такое движение — оно отлично наблюдается, когда дождевая капля ползет вниз по оконному стеклу,— мгновенно бы прекратилось, если бы капля замерзла. Иными словами, то, что может быть доступно твердому телу только в случае, если ему придать форму сферы, капле доступно отнюдь не сферической, а расплющенной, потому что она жидкая.

Итак, капелька может двигаться между двумя поверхностями не механизмом качения, а механизмом переливания. При таком движении капли (оно наблюдается и у очень сплющенных капель) ее центр движется со скоростью вдвое меньшей, чем относительная скорость взаимного перемещения пластин. Это очень напоминает движение гусеничного трактора. Он движется со скоростью вдвое меньшей, чем скорость движения той части гусеничной ленты, которая не касается земли.

Еще одно важное свойство капель, укрепляющее идею каплеподшипников: с ростом давления, которое приложено к расплющенной капле, радиус жидкой лепешки растет медленно, лепешка упорно сопротивляется прилагаемой к ней нагрузке.

Естественно, может возникнуть следующая мысль: быть может, не следует мудрить с каплеподшипниками, а просто, как это делается издавна, поместить между трущимися поверхностями обыкновенную жидкую смазку — способ надежный и проверенный. В огромном числе случаев именно так и следует поступать. И все же каплеподшипники существенно отличаются от слоя жидкой смазки, который равномерно расположен между трущимися поверхностями.

Во-первых, жидкая смазка — это, как правило, жидкость, хорошо смачивающая твердые поверхности, легко растекающаяся по ним. Взаимное скольжение поверхностей она, конечно же, облегчает, но не очень препятствует их взаимному сближению. Это хорошо иллюстрируется рисунком, на котором видно, что силы, которые способствуют растеканию жидкости, притягивают друг к другу поверхности. Ведь хорошо известно, что две полированные пластинки слипаются, если между ними расположить слой смазки. А капли каплеподшипника будут вести себя совсем не так. Они не смачивают твердые поверхности и поэтому отталкивают их друг от друга.

Во-вторых, пленка смазки — обычно очень тонкая — равномерно заполняет весь зазор между трущимися поверхностями, и поэтому сила, которую надо приложить, чтобы перемещать одну поверхность относительно другой, довольно велика, так как она пропорциональна их площади. А в каплеподшипниках, где трение происходит не в режиме скольжения, как в случае пленки, а в режиме качения капель, сила, необходимая для взаимного смещения поверхностей, оказывается существенно меньшей.

ПОСЛЕДНЯЯ КАПЛЯ

Книга начиналась «Первой каплей». Закончим ее «Последней каплей»: имеющее начало имеет конец.

В начале книги был сформулирован вопрос: «...кто знает, сколько еще будет увидено и понято благодаря капле?» Вопрос риторический и, следовательно, ответа не требует. Он, однако, заставляет подумать о многом, в частности о том, в какой мере современному ученому могут быть полезны образы, сослужившие службу «седой классике», как будничные жизненные наблюдения питают мысль ученого, работающего на переднем крае современной науки.

Возможно, что у некоторых читателей по мере приближения к последним страницам книги возникал недоуменный вопрос: почему автор пишет о старой, как мир, капле, а не о потрясающих воображение достижениях сегодняшней науки, есть ли у него право занимать внимание читателей очерками о каплях в то время, когда, как теперь принято говорить, поток научной информации колоссален? Таким читателям, напомнив о службе, которую капля уже сослужила науке, я посоветую полистать последние тома журналов, в которых реферируются статьи по молекулярной физике, физике невесомости, лазерной технике, геологии, ядерной физике и другим разделам современного естествознания. Они убедятся в том, что интерес к капле не угасает. О ней думают, с ее помощью экспериментируют. Она заявляет о себе в самых неожиданных ситуациях и явлениях.

Впрочем, дело здесь не только и не столько в капле. Капля лишь пример того, как впечатления от окружающей нас природы питают творчество ученого и тогда, когда он мыслит и работает над самыми современными и отвлеченными проблемами естествознания.

Content

Гегузин Яков Евсеевич Капля

ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ

Первая капля

Слово о кинокамере

Сталагмология

О подпрыгнувшей капле

Капля пустоты

Удобная «постель» для капли

Раздавленная капля

Талая вода

Пятна на столе

ДОЖДЬ НАД РЕКОЙ

Капля-шарик и капля-парашют

Капля на кончике иглы

Антидождь

Водяная корона

Элементарная теория разрушения водяного пузыря

Дождь на оконном стекле

Глицериновые дожди и глицериновые капели

Опыт Рэлея—Френкеля

Кто творит радугу?

КАПЛИ РОСЫ

Счастливый день в жизни естествоиспытателя

Засада на росу

Росинка в солнечном луче

Капельный след

Пузырьковая камера

Из истории исследования электрона

ЖИВЫЕ КАПЛИ

Капля живого серебра

Капля, движущаяся в кристалле

ПОСЛЕДНЯЯ КАПЛЯ