Текст книги "Необыкновенная жизнь обыкновенной капли"

Автор книги: Марк Волынский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 9 страниц)

«Это все, может, и интересно,– скажет иной прагматически настроенный читатель,– но зачем нужны такие подробности?»

Нужны. Все для тех же камер сгорания, где приходится рассчитывать траектории капель. Траектории эти зависят от аэродинамических сил, от формы капли. Формулы механики полета любого тела, будь то самолет или капля, содержат аэродинамический коэффициент сопротивления – С_х, который отражает силу сопротивления среды, направленную против скорости движения тела. Он различен для тел разной формы. А где С_х, там и С_у – коэффициент подъемной силы, действующей по нормали к скорости: в аэродинамике эти коэффициенты «ходят парами». Оба они определяют взаимодействие воздуха и, например, летящего самолета. А может ли у капли быть С_у? Иными словами, может ли горизонтально летящая капля вдруг пойти вверх? Может, если деформация ее относительно продольной оси несимметрична и в результате действующие на нее силы снизу и сверху окажутся неодинаковыми. Изредка на фотографиях наблюдалась траектория такой капли; какие-то причины вызывали несимметричную деформацию, и падающая в потоке капля вдруг взмывала вверх.

Вообще же скоростная фотография, не оправдавшая надежд как метод измерения капель, позволила понять механизмы каплеобразования, разглядеть много интересного. Вот произошел рэлеевский распад медленной струйки: падающие капли причудливо колеблются, поверхность принимает очертания сопряженных овалов и многоугольников – накладываются друг на друга колебания разных мод, то есть форм и амплитуд. За каждой каплей неизменным спутником следует маленький шарик Плато *. Если жидкость вязкая, например масло, колебания быстро затухают.

* См. МЭК – Шарик Ж. Плато.

Своеобразен многократно описанный процесс соударения капли с поверхностью жидкости. Здесь самое интересное – сохранение «индивидуальности» капли, казалось бы, полностью исчезнувшей при ударе.

Подкрашенная красителем капля упала на жидкую поверхность, возник кратер, по его краю поднялся венчик миниатюрной короны, а капля превратилась в тонкую пленку – подстилку на дне кратера. Ей пора исчезнуть, раствориться в окружающей жидкости. Но скорость гидромеханических процессов оказалась много больше диффузионных. Кинетическая энергия удара, как в сжатой пружине, перешла в давление поверхностного натяжения, оно приложено по краевому контуру пленки, закругленной тем больше, чем меньше радиус кривизны. Под действием таких периферийных сил жидкость снова устремляется к центру, собирается в окрашенный шарик– значит, это те же молекулы, что и в исходной капле. Затем каплю поднимает над поверхностью острие жидкого столбика, образующегося вместо кратера.

А вот другое явление: жидкая струйка обдувается воздушным потоком под углом 90° к ее оси; такая подача жидкости иногда применяется в камерах сгорания. Струйка изгибается, искровая фотография показывает, как при этом жидкий цилиндр сплющивается, превращаясь в тонкий лепесток, который распадается на капли, уносимые воздухом (рис. 14). На рис. 15 показано это же явление, но для сверхзвукового потока с числом Маха М = 2—3.

 * * *

Поначалу наша новая наука о рабочем процессе в реактивных двигателях имела больше проблем, чем исследователей,– «бери коня любого» и скачи к туманным горизонтам. Однако я прочно сидел на своем коньке – капле, хотя соблазны материальные и иные появлялись: можно было заняться задачами более эффективными и сулящими более быстрое решение. Постепенно из смежных отраслей техники и учебных заведений приходили новые люди. Мы сами старались подготовить их из студентов и дипломников МАИ, МГУ, МФТИ, проходивших в нашем институте практику. Среди них – мне везло больше на МФТИ, знаменитый «физтех» – попадались отличные ребята, светлые головы. Они были лучше обучены и подготовлены к работе в нашей отрасли, чем некогда мы, вступившие в нее. Эти ребята потом составили гвардию нашей отрасли науки. Все мои практиканты и дипломники теперь кандидаты или доктора наук.

Молодому человеку, который хотел знаний и творческого опыта, было чему поучиться. В институте начинался «золотой век» интересных теоретических семинаров, докладов, дискуссий. Эту линию начал и возглавил известный ученый и замечательный педагог академик Леонид Иванович Седов. С ним в институт пришел стиль строгости научных доказательств и аргументации. Вечно разрываясь между собственными напряженными исследованиями и чтением работ других авторов, мы могли теперь получать богатую информацию, так сказать, не отходя от экспериментальных установок. Леонид Иванович проявил большой вкус к формированию научной школы и стал тогда одним из «центров кристаллизации» одаренной молодежи, прежде всего аспирантов МГУ. Не без его влияния молодежь стремилась получить знания, набираться опыта так же, как и мы: «не боясь запачкать руки в грязи и саже эксперимента».

В те годы у нас в институте хорошо действовал традиционный тандем: научный работник—студент (или практикант). Разница в годах была не столь уж велика, а интерес к познанию общий. Мы вместе готовили и проводили эксперименты, на пару работали за микроскопом, измеряя капли: один сидел над окуляром, другой записывал. Полезны были «летучие» обсуждения результатов опыта, иногда сразу после запуска, прямо возле еще неостывших камер и не дождавшись, когда высохнут фотопленки. Ребята не могли найти таких знаний ни в одном учебнике, да их тогда просто и не было. Это в немалой степени побуждало к творчеству, и ребята иногда сами приходили к неожиданным, оригинальным идеям и решениям. Люди к нам, технарям, как говорится, валом валили. Нынче, говорят, совсем не то, молодежь будто бы поостыла к техническим вузам и техническим факультетам. Ну что ж, «другие дни, другие сны!» Раньше пленяли заоблачные высоты и стремительные скорости летательных аппаратов, несущих человека, сейчас центр внимания – сам человек. Молодежь идет в медицину, генетику, биохимию, психофизиологию; по-видимому, там восходит заря новой научной эры.

Другим повседневным помощником и спутником научного работника был механик стенда – фигура в нашей работе весьма заметная. Стендовая установка часто являлась уникальной, со сложным оборудованием, с мощной энергетикой. Изобретательская сметка механика, его предложения по техническому оформлению эксперимента оказывались очень ценными, и я всегда подробно знакомил механиков своих стендов с общей задачей исследования. Помню, проводились опыты с распыливанием в сверхзвуковом потоке – явлением тогда малоизученным. Потребовался миниатюрный жаростойкий распылитель, способный выдержать натиск струи газа с температурой более 2500 К. Существовавшие конструкции не вписывались в тесные рамки требуемых размеров. Модели, сконструированные в КБ лаборатории, сгорели одна за другой, брызнув кометным хвостом расплавленного металла. Я предложил эту задачу работавшему со мной механику Сереже Любимову, и через неделю появилось миниатюрное устройство. Для самого теплонапряженного лобового участка он сумел выточить маленькое острие из тугоплавкого вольфрама и запрессовать его в корпус – операция ювелирная. «Ай да Сережа, распылитель подковал!» Все диву давались, как удалось изготовить это крошечное острие из такого трудно обрабатываемого материала. Остроумная конструкция использовала для охлаждения саму распыливаемую жидкость. Я теперь имел отличный распылитель, а механик – премию за рационализаторское предложение.

Но изобретательность изобретательности рознь. Расскажу эпизод, случившийся в одном институте другого ведомства. Механик поспорил с приятелем, что вынесет незаметно через проходную пятидесятикилограммовую наковальню. И вот двое повели под руки через проходную заболевшего товарища, едва передвигавшего ноги, видимо, с высокой температурой – багровое лицо было все в поту. Их незамедлительно пропустили в медсанчасть. По выходе с территории товарищ сразу выздоровел, как только с его шеи сняли подвешенную на канате и пропущенную между ног тяжеленную наковальню. Обратно ее несли уже втроем. Польза от такой «изобретательности» никакая, разве что дала пищу для остряков и «информацию к размышлениям» для вахтеров.

Описанный мною в начале метод измерения размера капель с помощью радуги обладал невысокой точностью. На смену ему пришли различные способы улавливания капель, в частности разработанный группой исследователей во главе с инженером К. Н. Ерастовым способ получения отпечатков капель на слое сажи, покрытом парами магния – магнезии. Яркая многоцветная радуга – и прозаическая черная сажа. Что поделаешь: когда речь идет о точности эксперимента, вопросы эстетики отодвигаются на задний план.

Ударяясь о пластичное покрытие сажи с парами магнезии, капли жидкости не разрушались, оставляя на саже аккуратный кружочек – след. Мягкость покрытия сочеталась с прочностью, сажа не сдувалась потоком. После эксперимента в окуляре микроскопа была видна четкая контрастная картина – черные кружки на серебряном фоне магнезии, что облегчало кропотливые измерения: ведь в пробе иногда приходилось обрабатывать до 2000—3000 отпечатков.

Применение этого метода позволило ответить на самые неотложные вопросы, но вообще – и этот вопрос встает для каждого метода – оставалось неясным, какое число частиц нужно измерять, чтобы знать, «сколько кого» в общей массе капель? Другими словами, какая проба уловленных частиц представительна, чтобы верно судить о всем спектре? Проще всего сказать: берите пробу побольше, подойдете к истине ближе. Но попробуйте просидеть, склонившись над окуляром микроскопа, неделю за неделей, измеряя и подсчитывая десятки тысяч капель, до боли в глазах! И вот некоторое время спустя инженеры одной из английских нефтяных фирм предложили метод парафинового моделирования (затем усовершенствованный у нас).

Метод в своем роде уникален, поскольку позволяет оперировать не с выборочной пробой, а со всем необозримым множеством капель, вылетающих из форсунки, скажем, за секунду.

Взамен исследуемого керосина распыливают парафин, который в расплавленном состоянии при определенной температуре нагрева очень близок к керосину по ряду физических констант (удельный вес, поверхностное натяжение, вязкость). Вылетающие частицы быстро охлаждаются, и все их можно уловить. Но что дальше делать с ними? Частички, во-первых, слипнутся друг с другом; во-вторых, как их рассортировать по размерам? В специальных опытах подобрали жидкость – раствор этилового спирта,– где парафиновые капли, окутанные тонкой пленкой, практически не слипаются. Затем спирт с каплями пропускали через «этажерку» пронумерованных сит с ячейками известных размеров – от самой крупной в верхнем сите до самой мелкой в нижнем. Сита с каплями просушивали, взвешивали, находя для каждого сита массу задержанных им частиц (число измеряемых капель составляет несколько миллионов при общем их весе всего около десяти граммов).

В результате отнесения веса частиц на каждом сите к суммарному их весу оказывается возможным построить распределение капель в спектре по размерам в зависимости прежде всего от давления подачи.

Метод парафинового моделирования позволил управиться со всем множеством капель и подтвердил представительность выбиравшейся ранее пробы частиц в наших опытах. Из-за своей сложности он не мог применяться повседневно, но остался как эталонный, дающий «истинную каплю в последней инстанции».

Глава III

КАПЛЯ ИСТИНЫ

Размножение капель

Для измерений в газовом потоке оказался удобным метод сажевых отпечатков. Хотя он являлся выборочным, это уже не пугало. Метод парафинового рассева всегда мог указать нужную величину выборки. Экспериментаторы дружно ухватились за методику, не дожидаясь полного ее обоснования (это шло параллельно). Точное число, а с ним успех исследований вошли в мир капель. Там, где пока пасовала теория, опыт принес первые результаты, наводя порядок в хаосе жидких частиц.

Измерение множества однородных, но разновеликих объектов имеет свои особенности. После опыления каплями в потоке специальный стержень или пластинка, покрытая улавливающим сажевым слоем, ставились под микроскоп. Размеры отпечатков определялись в поле зрения на шкале окулярмикрометра с точностью до деления шкалы. Оставалось лишь отразить в таблицах и графиках распределение капель по весам и размерам, чтобы получить их спектр.

Впоследствии, обобщив результаты анализа экспериментально полученных спектров, удалось найти способ построения спектра форсунок без кропотливых подсчетов капель для различных размеров форсунки и параметров процесса распыливания: давления подачи, скорости воздуха, физических констант жидкости и газа. Конструктор получал спектр раньше, чем он «рождался в железе», и мог заглянуть в будущее двигателя, имея перед собой не реальную форсунку камеры сгорания, а всего лишь ее чертеж.

Но все это возникло значительно позже. А пока мы занимались кропотливой сортировкой капель по их размерам, тратя на это бесчисленное количество часов и сил.

Наши тогдашние мечтания об автоматизации нудного счета капель (мы даже схватились за примитивный счетчик эритроцитов при анализе крови) реализовали современная оптика и электроника, придя на помощь утомленным глазам экспериментатора. Сейчас создано (у нас и за границей) сложное и совершенное устройство – комбинация микроскопа, фотоэлемента и миниатюрной ЭВМ. Проба частиц, отпечатков или вообще любых микрообъектов отображается на экране с нужным увеличением. Наблюдатель находит интересную ему область и включает счет. Сканирующий луч молниеносно обегает указанную зону, измеряя и подсчитывая по 10000 объектов за несколько минут. Результат – готовая таблица спектра. Хитрый прибор может измерять и некруглые объекты, давая средний размер по их площади или между наименьшим и наибольшим радиусами (например, для овалов). Открылась новая эра в исследовании полидисперсных систем. Устройство такого типа («Квант») применили биологи и гистологи для изучения живых клеток, его «обучили» ловить и фотографировать «интимный» процесс—момент таинства природы, когда начинает делиться одна какая-то клетка среди множества обычных, неделящихся. Такой прибор обещает также прогресс и в технологии металлических порошков (порошковая металлургия), цементов (строительное дело) и других сыпучих тел.

Но все-таки первые измерения и исследования по распыливанию были проведены в «мансардах» старых, сравнительно примитивных лабораторий. Тогда наш метод улавливания на сажу нуждался в более строгом обосновании: отпечаток – еще не капля, она деформируется при ударе, и диаметр отпечатка отличается, естественно, от диаметра капли. Чтобы выяснить это, у нас решили построить специальную опытную установку. Работа мне представлялась скучной и хотелось ее скорее завершить. Я никак не мог предположить, куда она меня неожиданно заведет.

Пуск установки задерживался. Заготовив серию ртутных капель, измеренных под микроскопом, я забрался на антресоли, под потолок самого высокого нашего цеха, и стал оттуда прицельно сбрасывать капли на сажевый экран – «сковородку», лежащую на полу. О вредности ртути я имел тогда весьма туманное представление. Кто-то проявил вполне разумную осмотрительность, прибежали пожарные и представитель охраны труда. Возник скандал, пожарник размахивал багром, угрожая стащить меня вниз.

Вскоре подоспела установка, и опыты были продолжены: капли ртути сбрасывались в поток воздуха у среза сопла и улавливались на экраны, потом сравнивались диаметры капли и отпечатка. Монотонная, порядком надоевшая работа подходила к концу (опыты повторялись многократно для надежной статистики), как вдруг обнаружилась странная аномалия. При большой скорости воздушного потока на экране появился парный отпечаток. Может, техник по ошибке положил в чашечку для сбрасывания две слипшиеся капли вместо одной или взял случайно уже использованный экран? Я тщательно все проверил и повторил опыт – все тот же результат. Не двоится же у нас обоих в глазах!

Упругая капля могла отскочить от экрана (раньше наблюдалось такое явление) и дать рядом повторный отпечаток. Я рассмотрел их внимательно под микроскопом – два одинаковых следа. Не похоже на отскок, это не лунки-вмятины, а обычные пробоины. Теперь, когда исключались все возможные сомнения, оставалось одно, самое естественное объяснение. Оно, честно говоря, возникло сразу, но я не спешил им воспользоваться. С каким нетерпением дожидался я следующего дня!

Волнующие моменты, когда спешишь на работу как на праздник, ждешь не дождешься результатов опыта, проявляемой фотографии, обмеряемой осциллограммы,  лент ЭВМ. Бывало, ожидаешь результатов расчета, как приговора. Техник Раиса садится за расчеты, и через час то, что казалось творческим озарением, превратится в смешную ошибку, а случайное замечание – в новую идею. Но как не часто попадается крупинка золота в песочных часах нашей жизни!

Любопытный психологический феномен – я сталкивался с ним неоднократно. Напряженно ждешь результата вычислений, ожидаемая цифра громко обсуждается здесь же в комнате с сотрудниками. И вот ты в восторге: Раиса Ивановна, твой техник, ас арифмометра и логарифмической линейки, выдает ту самую цифру.

– Молодец, Раиса!

Но дело принципиальное, и ты садишься вместе с аспирантом за проверку, чтобы работать в четыре руки.

– Раиса, никогда не ошибающаяся, «железная» Раиса, что ты наделала, злодейка!

Наш дважды повторенный расчет дает совсем другую цифру. Надо же было Раисе ошибиться так хитро! Непостижимо: ошибка по заказу! (Теперь я никогда не говорю технику наперед предполагаемый результат). Психолог, вероятно, объяснит такое явление скрытой работой подсознания, сознанию это просто не под силу. Расчетчик обычно не размышляет над результатом, он ему безразличен. Да и не так просто в ходе неоконченного расчета «подтасовать» итог. Из психологии известно – наши ошибки и обмолвки совсем не случайны. Однажды мы все ожидали премии за окончание срочных работ, и машинистка в научном отчете напечатала: «Экспериментальные точки хорошо ложатся на премию», вместо «на прямую» – неплохо сострила.

И вот следующий долгожданный день наступил. Сначала я повторил один к одному прежний эксперимент. Эффект раздвоения капли за ночь не изменил своей природы. Потом я слегка уменьшил скорость воздушного потока – отпечаток снова стал одиночным. Так я нащупал границу: чуть уменьшишь скорость – один отпечаток, увеличишь – два. «Прочь, сомнения и тревоги!» Я случайно наткнулся на новое явление – дробление капли в потоке воздуха при определенной критической скорости.

Я круто изменил направление исследований. К черту нудные работы с поправочным коэффициентом отпечатка! (Благо, они почти закончены.) Распад капли в потоке гораздо принципиальней и интересней. Теперь нужны убедительные подтверждения. Ведь мы все-таки не видели своими глазами, как она дробится. Доказательства требуются четкие и наглядные, тогда можно избежать неприятных разговоров с начальством о новой , внеплановой теме – победителей не судят. Я начал с химии: в лаборатории реактивов изготовили стопку фильтровальной бумаги со специальной пропиткой. В жидкость – теперь мы перешли на воду – была добавлена специальная примесь красителя, практически не менявшая физических констант воды. Капля, попавшая на экран, моментально впитывалась – отскакивание исключалось. На бумаге возникало «глазастое» яркое пятно, оно хорошо было видно невооруженным глазом и для очень мелких капель.

Таким «победным флагом» можно было помахать перед глазами членов научно-технического совета. Но все-таки хотелось увидеть, зафиксировать сам процесс дробления. Конечно, здесь годился прибор, который тогда назывался «лупа времени» или попросту «скоростное кино». Но его надо было искать в другом институте. К тому же прибор нуждался в тонкой наводке и фокусировке. А куда наводить эту оптическую «тяжелую артиллерию», если точка дробления неизвестна и наверняка «гуляет» в пространстве и времени? Совместно с оптиками мы придумали более простой метод. Летящая капля фотографировалась в затемненной комнате при боковом освещении (рис. 16). Объектив фотоаппарата оставался открытым; свет, отраженный поверхностью ртутных капель (или преломленный каплями воды), попадал в объектив и прочерчивал на пленке всю траекторию, ясно обозначая место раздвоения. Труд, вложенный в методику, всегда окупается сторицей. Опыты показали четкий результат. Для каждой жидкости имеется своя критическая скорость, она тем больше, чем мельче капля; критическая скорость растет с ростом поверхностного натяжения жидкости и с уменьшением плотности газа.

Эксперименты прошли быстро, на одном дыхании. Были получены новые интересные факты, теперь предстояло осмыслить их, свести воедино многочисленные столбцы разрозненных цифр в протоколах опытов. Каков закон дробления? Я попробовал рассуждать просто. . При полете капли противоборствуют две силы: активная – аэродинамическая – стремится деформировать каплю; стабилизирующая, обусловленная поверхностным натяжением, сопротивляется – эластичная жидкая поверхность изгибается, но не рвется.

Рис. 16. Схема экспериментов по дроблению капель в газовом потоке: 1 – выходное отверстие воздуходувки, 2 – капельница, 3 – осветитель, 4 – точка раздвоения капли, 5 – фотоаппарат, 6 – улавливающий экран

О чем говорит факт существования критической скорости? О некой критической стадии деформации. Если отклонение от шара невелико, форма (как и сферическая) еще устойчива относительно малых возмущений, деформация обратима; потом на излете капля стянется в шарик. Но если дело зашло далеко, достигнут критический предел – возврата нет, малые возмущения (как и на струе) довершат дело, развалят каплю. Дойдет до критической деформации или нет, это вопрос «кто – кого» в противоборстве сил.

Движущаяся капля всегда немного вибрирует. Вдали от критической фазы эти малые колебания для нее безопасны. На критической грани капля «дышит тяжело», как бы раздумывая – развалиться или нет, и где– то на «выходе» перетягивается восьмеркой пополам.

Теперь от качественных соображений предстояло переходить к числам, памятуя, что качество – непознанное количество. Легко сказать: к числам. От них пестрит в глазах.

Таб.1

В каждом опыте (а он «схватка в воздухе») капля имеет свою «визитную», или, может, лучше – «летную» карточку. Там о ней все записано: диаметр капли, поверхностное натяжение жидкости, скорость и плотность обдувающего газа. Целых четыре числа – умножьте на сотни опытов... необозримое поле. А что, если «роковой вопрос» жизни капли выразить на количественном языке соотношения противоборствующих сил: активной – давления потока и демпфирующей – давления поверхностного натяжения (они как раз зависят от четырех наших чисел). Возьмем давление газа P_r в лобовой точке капли, где оно наибольшее и равно скоростному напору ρu²/2 (струйка тока газа полностью тормозится). Давление поверхностного натяжения определим по известной формуле Лапласа для жидкого шара Р_ж = 4σ/а. Величина отношения давлений (с точностью до постоянных коэффициентов) дает комплекс, называемый критерием, или числом Вебера We:

 Рг/Рж ≈ We = ρu²а/σ.

Теперь четыре числа заменялись одним. Путь экономии информации обычно плодотворен. Он и привел меня к искомому закону. Стоило разложить «летные» карточки моих капель по порядку новых номеров, как обнаружилась интересная закономерность.

Пусть взяты самые разные четверки исходных чисел для совсем непохожих жидкостей: воды, ртути, спирта, керосина. Если их новый «паспортный номер» одинаков, одинакова и судьба капель. Когда число Вебера меньше десяти, капля остается целой; если оно равно десяти, происходит раздвоение; при числе чуть больше десяти (11—12 – деликатная область, верхнюю границу найти трудно) – распад на несколько крупных (три, четыре, пять...) примерно равных частей. Дальше, если число достигает 14, переход в мир иной, от порядка к хаосу – режим распыливания: капли, возникшие в результате распада, на порядок меньше исходной капли и составляют статистический спектр; с ростом числа Вебера за 14 (закритическая область) капельные осколки все измельчаются. Различные формы деформации и распада капли в зависимости от числа Вебера приведены в таблице (Таб.1).

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.