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.

---

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.