Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

• Название: Необыкновенная жизнь обыкновенной капли
• Автор: Марк Волынский
• Издательство: Издательство «Знание»
• Жанр: Физика
• Год: 1986

---

Теперь новое число приобрело ясный физический смысл критерия деформации и дробления летящей кап­ли. Критической фазе отвечает его минимальное дробя­щее значение (рис. 17). 

Все добытые в опыте цифры, как льдинки мальчика Кая в андерсеновской «Снежной королеве», сами сло­жились в нужной комбинации: Кай прочел слово «вечность», а мы — слово «истина». Это слово нас вдохновляло, хотя речь шла всего лишь об одной маленькой научной истине из мира таких же маленьких капель.

Рис. 17. График дробления капель в потоке газа:: 1 — режим критик ческой деформации, 2 —режим распыливания

 ***

Найденная формула безотказно действовала для всех не очень вязких жидкостей и годилась для разных видов топлива реактивных двигателей. В случае вязких жидкостей дело усложнялось; например, для касторово­го масла критерий раздвоения оказался много больше. Это и понятно: здесь демпфирующие силы, кроме по­верхностного натяжения, включают и силы вязкости жидкости, которые для других жидкостей можно было не учитывать.

В мире капель накопилось много интересных наблю­дений и фактов, а вот количественных закономер­ностей —дефицит. Мне посчастливилось наткнуться на одну из них случайно. Но, как поется в песне, «пусть наша встреча была случайной, но не случайно вспыхнула любовь». Критерий дробления заставил по-новому взглянуть на некоторые вещи: любая газовая среда — своеобразное аэродинамическое сито, оно не пропустит капли крупнее «своей» ячейки, которая и сама зависит от скорости полета. Теперь я сумел бы ответить на во­прос, который могли задать тогда, давным-давно, в са­молете: почему появляются градины с голубиное яйцо, но капли дождя у земли никогда не бывают больше четырех—пяти миллиметров. Дело в том, что твердые градины (льдинки), падая в воздухе, сохраняют свою целостность, тогда как крупные жидкие капли при своем падении приобретают у поверхности земли такую скорость, которая заставляет их дробиться, если размер капли превышает четыре—пять милли­метров. 

А процесс каплеобразования: распад жидких струй или пелены форсунки, быть может, только первая ста­дия? Возможно, процесс развивается фаза за фазой, как цепная реакция распада? Тех, кто работает с кап­лями, иногда посещают атомно-квантовые аналогии: волна на струе — будущая капля, оторвавшаяся части­ца — несет волну. 

Чем не дуализм «волна-частица»!

Как бы поближе разглядеть механизм этого ювелир­но-тонкого процесса разделения капель? Пусть, решил я, жидкость движется в жидкости, быстрое станет мед­ленным, мелкое — крупным. Конечно, такой простей­ший опыт ставили и раньше, но результат мне показал­ся необычайно интересным, несущим еще не полностью понятую информацию. 

Желающие могут повторить этот опыт у себя на сто­ле. Стеклянная пол-литровая банка, пипетка и флакон черной туши — все лабораторное оборудование. Банку наполните доверху водой, пусть пару минут отстоится. Теперь наберите в пипетку туши, поднесите ее на санти­метр к уровню... Я не предлагаю, как раньше, попытать­ся ответить, что произойдет: угадать нельзя, вычислить тоже. 

...Три, два, один — пуск! Черный шарик пошел в воду, начинается подводный цирк: капля мгновенно вы­ворачивается в аккуратное колечко, на нем появляются знакомые волны симметричных колебаний — вспухания, пережимы. И вот кольцо разделилось на ожерелье ка­пель. Хоровод капелек медленно, согласованно погружается дальше — можно пересчитать подводных бале­ринок и полюбоваться их пируэтами — начинается вто­рой цикл превращений. Из капель рождаются новые кольца и распадаются, вступая в новый, третий, цикл... Так идет нескончаемая типичная цепная реакция — только дно банки остановит ее.

Рис. 18. Так распадается капля туши в воде (с фотографии)

Капли ведут себя, как живые делящиеся клетки. Кто знает, может быть, это древнейший прообраз деления простейших форм живой праматерии, оседавшей с по­верхности в глубь океана? В жидкости повисает велико­лепная «люстра», наращивая ярус за ярусом: водный аттракцион, который может придумать только природа (рис. 18). Что же происходит? Распад явно идет в да­лекой закритической области, то есть при больших чис­лах Вебера, хотя скорость погружения незначительна (ее можно измерить в опыте). Дело в том, что относительно велика плотность среды р и очень мало поверхностное натяжение капли о: ведь капля туши — почти вода в воде, и этот параметр по малости даже трудно оценить. 

Японский ученый Ока решил задачу о распаде уже сформировавшегося неподвижного кольца. Она анало­гична рэлеевской, ведь кольцо— замкнутый цилиндр. Оказалось, что число частей при распаде зависит от отношения толщины кольца к его диаметру. Много позже моих опытов по установлению условий дробле­ния в иностранной литературе появились фотографии падающей в воздухе и дробящейся капли. Последова­тельность фаз деформации на фотографиях нам теперь понятна, она результат распределения давлений на шаре (см. рис. 13). Получается, что разрежение в кор­мовой части оттягивает, а давления в лобовой плющат и продавливают исходную форму. При этом разрежения по боковому поясу (в поперечном сечении) отсасывают жидкость на периферийную окружность. Возникший вначале диск с центральной вмятиной превращается в кольцо, обтянутое колпаком жидкой пленки, она быстро рвется. Остается неустойчивое кольцо, распадающееся на симметричные или антисимметричные волны — кап­ли при обязательных спутниках, мелких шариках Пла­то. С готовым кольцом математика еще справляется, но рассчитать деформацию «капля — кольцо» никому не удается. 

Странное дело: сколько раз нам уже попадалась кольцевая форма. Радуга, кольцевая волна, отделив­шаяся от пелены центробежной форсунки, теперь коль­цо из жидкого шарика в воде, из капли в воздухе. Если вы занимаетесь каплями, жидкое кольцо часто будет сопровождать вас, как рондо повторяющейся мелодии. В этом, наверное, проявляется круговая симметрия на­шего видимого мира, симметрии силовых и волновых полей. 

Эксперименты по дроблению капель завершились, и я успел до конца года представить научный отчет по внеплановой теме. 

План научно-исследовательских работ в институтах того времени не был столь жестким и всепроникающим, как потом. Иногда (и далеко не всем) разрешалось то, что летчики военной поры называли свободной охотой: полет в определенном направлении, но без конкретного задания — цели для атаки выбираются «по ходу дела». Я не за бесплановость или растягивание сроков, но жизнь показывает: план в науке иногда может и должен стать понятием растяжимым. Бывает, что план, как око­стеневший панцирь, мешает росту живого организма исследования. 

Научный работник обычно сам принимает участие в планировании, выдвигая тему, а иногда и сроки. И сам же часто попадает в свой капкан. Оценить время работ по новой теме, когда основная идея до конца и в деталях не ясна, чрезвычайно трудно. А если вдруг по ходу дела обозначился новый, более обещающий пово­рот? Откуда взять резерв времени? Мы придаем долж­ное значение материальным и другим резервам, а почему со временем должно быть иначе? Из своего горького опы­та я вывел правило: «коэффициент запаса» — планируе­мый интервал времени, который на первый взгляд ка­жется вполне достаточным,— умножай на два, тогда, ра­ботая с полным напряжением, едва уложишься в срок. 

К слову, об оценке результатов исследовательских работ: проблема непростая и по сей день актуальная. Все зависит от научной и практической значимости за­дачи. Иногда и отрицательный результат (полученный с точностью до «наоборот») полезен. В других случаях добытые материалы без серьезного анализа точностей вообще не имеют ценности. А есть еще и такие темы: если в конце узнаешь хотя бы, как следовало ставить работу в начале,— считай результат положительным.

Как сделать туман!

Первый этап моих исследований, возникший из случай­ного наблюдения, завершился. Опыты проводились на сравнительно крупных каплях, диаметром 0,8—3 милли­метра. Предстоял второй этап. Нужно было доказать универсальность свойства дробления движущихся ка­пель вплоть до самых мелких, обитающих в камерах сгорания. Вопрос этот оставался открытым, ведь мел­кая капля быстро увлекается потоком, при этом ее от­носительная скорость и активные силы падают, дефор­мация не успевает дойти до критической фазы, и рас­пад не происходит. 

Переход к более мелким частицам серьезно услож­нял эксперимент. Но прежде всего мы нуждались в этих самых мелких частицах. Так в пятидесятые годы возник­ла проблема точно калиброванных капель. Требовался Прибор, «штампующий» строго однородные капли заранее Известного диаметра, хотя бы до 100—200 микрометров.