Текст книги "Капля"

Автор книги: Яков Гегузин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 9 страниц)

Чтобы капелька начала двигаться вверх,необходимо выполнение условия F ↑ > F ↓. Из этого условия следует, что R⁴ <    6α r² / 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 ( 6 α /4ρ g ) ^1/2  

Подставив в эту формулу значения констант (поверхностное натяжение α  = 70 дин/см, плотность воды ρ = 1 г/см³ и   g ≈10³ см/сек²), 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 ( Р_л ), стремящимся сохранить сферическую форму капли, надо сравнивать деформирующее давление ( Р_υ ), обусловленное сопротивлением, которое оказывает летящей капле воздух. Если Р_л >> Р_υ,             капля сохранит форму шарика и мы будем ее считать «маленькой», а если Р_л < < Р_υ, капля будет сильно деформироваться давлением Р_υ и ее мы будем считать

«большой». Р_л нам известно, оно равняется 2 α/ R , а вот вычислить Р_υ – задача непростая. Для нас, однако, важно лишь знать, что Р_υ растет с R и поэтому должны существовать такие размеры, при которых выполняются два предельных неравенства между Р_л и Р_υ , 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 ( Δ l ) 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

Δ l = lPt / η ,

из которой следует, что скорость удлинения  υ = Δ l / 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/πR²   . Применительно к шарику формулу, определяющую скорость, можно переписать в виде: υ ≈ F / R η . 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 / 6π R η

Обсудим величину F .

Если бы шарик падал в вакууме, то

F = F ↓ = mg = ^4/₃ π R ³ ρ g .

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 ρ_o – плотностью воздуха. Вот теперь можно записать интересующую нас формулу в окончательном виде:

υ = 1( F↓ – F↑) /6π R η = ²/₉^. g R ^2. (ρ – ρ_o)/ 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 ≈ 10³ см/сек², η ≈ 2 ^. 10^-2 г/см^.сек (пуаз), ρ = 1 г/см³, ρ_o = 1,2^.10^-3 г/см³, то υ ≈ 10² 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 ( Р_υ >> Р_л !!!). 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 . Арр l . Р his ., 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 справедливо сти 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 в пену. 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.