Яков Гегузин - Капля

• Название: Капля
• Автор: Яков Гегузин
• Издательство: «НАУКА»
• Жанр: Физика
• Год: 1973

Книга состоит из отдельных очерков о физиче­ских законах, управляющих поведением капли, об ученых, которым капля помогла решить ряд сложных и важных задач в различных областях науки.

Книга иллюстрирована кадрами скоростной ки­носъемки и будет интересна самому широкому кругу читателей.

---

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:

4πR2h = 4/3πr3

Из этого условия следует:

r = (3R2h)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 R1,масса вали­ка будет равна т = πR12hρ.

Равенство кинетической энер­гии валика и освободившейся поверхностной энергии озна­чает, что 1/2mυ2 =1/2π

R12hρυ2 = 2πR12α

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 R1растут по одинаковому закону ≈ R12.

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 .