Текст книги "Капля"

Автор книги: Яков Гегузин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 9 страниц)

Описать словами, что происходит на оконном стекле с дождинками, затея невероятно трудная: никакими словами не передать огромного разнообразия происходящих событий. В лаборатории мы сняли об этом фильм. И назвали его так же, как называется этот очерк,– «Дождь на оконном стекле». Чтобы отчетливее запечатлеть все происходящее, устроили «чернильных!» дождь: воду слегка подкрасили чернилами и направили капли на вертикально стоящее стекло.

Глицериновые дожди и глицериновые капели

Рассуждения по схеме «что было бы, если бы» иногда приводят к любопытным выводам. Попробуем по такой схеме обсудить вопрос, что было бы, если бы дожди были глицериновыми. И капели были бы глицериновыми. И реки были бы глицериновыми. Чтобы фантазия о глицериновых дождях и капелях не была беспочвенной, мы в лаборатории сняли два фильма: один – о глицериновом дожде над глицериновой рекой, другой – о глицериновой капели.

Фильм о дожде над рекой снимался так. В прозрачную кювету наливали глицерин. На его поверхность из пипетки падали отдельные глицериновые капли. Скоростная кинокамера была так ориентирована, чтобы можно было заснять момент приближения капли к поверхности глицерина, ее падение на поверхность и процессы, которые происходят от момента падения капли на поверхность до полного успокоения поверхности.

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 ка пелей 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 бо лее 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 алю миниевым 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.

 

Щеточка из водяных капель, расширяющаяся по мере роста напряженности электрического поля

А теперь о частоте приседаний или, лучше, так: о времени τ, которое проходит между двумя приседаниями. Его можно определить, рассуждая следующим образом. Растущая со временем капля будет увеличивать свой размер до тех пор, пока давление, оказываемое ею на струю ( Р_к ), не станет равным давлению струи на каплю ( Р_с ). Если нам известны скорость υ и сечение s струи, мы легко можем определить величины Р_к и Р_с. Они равны отношению соответствующих сил F_к и F_с к сечению струи:

Р_к = F _к / s и Р_с = F_с / s .

Очевидно, F_к = т_к^. g ,а F _с = т_с^. ω , где g – ускорение силы тяжести, которой подвержена капля, т_с – масса струи длиной h между наконечником и каплей, а ω – ускорение или, точнее, замедление, с которым движется струя. Так как у выхода из стеклянного наконечника струя имеет скорость υ , а в месте соприкосновения с набухшей каплей ее скорость обращается в нуль, то ω ≈ υ / τ

Считая, что средняя скорость струи υ_cp =υ /2 , можно записать, что

т_к = υ /2^. s ρτ ,  а т_с = sh ρ .

Вот теперь, приравнивая Р_к и Р_с , получим:

τ ≈ (2 h / g) ^1/2

В наших опытах h = 20 см и, следовательно, τ должно бы равняться —10^-1 сек. В действительности τ оказывается немного большим, видимо, из-за того, что набухшая капля не свободно падает, а стекает вдоль струи, испытывая при этом трение о нее. А вот следующее из формулы предсказание, что τ ~ h ^1/2 , когда увеличение длины струи, к примеру, в 4 раза должно увеличить время между двумя приседаниями вдвое, – оправдывается.

Вторая кинограмма. Эта кинограмма отражает изменения, которые происходят с концом распадающейся струи, по мере того как возрастает напряженность электрического поля Е . Отчетливо видно, что на конце струи вместо приседающей капли формируется густая щеточка, фонтанчик мелких капель, разлетающихся в разные стороны. С ростом напряженности щеточка становится более широкой, и точка на струе, где начинается ее разветвление, приближается к нижнему электроду. Расстояние между этой точкой и электродом обозначим l – далее оно нам понадобится. Когда напряженность достигла ~ 2000 в/см, практически вся струя начиная от места выхода ее из стеклянного наконечника (он был немного выше нижнего электрода) превращалась в ветвистый фонтан из мелких капель.

Почему? Почему ранее, при небольшой напряженности поля, мелкие капли объединялись в крупную, а при большой напряженности они сочли для себя целесообразным дробиться на еще более мелкие и разлетаться во все стороны сверкающим фонтанчиком? Или, иными словами, почему в сильном электрическом поле капля на кончике струи утрачивает устойчивость и разрывается на множество мелких?

Разрыв капли происходит под влиянием электрического растягивающего давления Р_е . Оно побеждает лапласовское, которое, сжимая каплю, стремится сохранить ее.

Электрическое давление, возникающее в электрическом поле, подобно тому, которое разрывает тяжелые атомные  ядра, обладающие большим зарядом. Отличие лишь в том, что заряженное ядро находится в поле, которое создано его собственным зарядом, а дробящаяся водяная капля находится в поле, созданном и поддерживаемом внешним источником.

После сказанного легко оценить величину электрического давления. Имея в виду каплю радиуса R , несущую заряд q , можно определить силу, которая разрывает каплю,

 

В этой формуле все разумно: напряженность электрического поля, необходимая для разрыва струи, оказывается тем больше, чем меньше размер капли и чем больше величина поверхностного натяжения, сжимающего ее. Однако, чтобы эту формулу сопоставить с результатами опыта, необходимо учесть, что напряженность Е_к отличается от Е₀ – напряженности между пластинами конденсатора. Так как вблизи капли, сидящей на струе, силовые линии поля сгущаются, Е_к будет больше, чем Е₀.

Расчет показывает, что Е_к = Е₀ . Удобнее эту формулу переписать в виде:

 

Последняя формула естественно объясняет понижение точки, в которой начинается распад капель, с ростом напряженности :

l ≈ 1/ E _o

Получается своеобразный высоковольтный вольтметр. С его помощью можно определить напряженность, измерив расстояние l.

Вот теперь, пожалуй, опыт Рэлея – Френкеля понят, и обе кинограммы истолкованы.

Кто творит радугу?

Радугу творят водяные капли: в небе – дождинки, на поливаемом асфальте – капельки, брызги от водяной струи. Радугу могут сотворить и капли-росинки, которыми осенним утром покрыта низко скошенная трава.

 

Вначале поговорим о «геометрии» радуги, т. е. о форме и расположении разноцветных дуг, а затем – о «физике» радуги, о том, какие физические законы определяют ее форму и цвета.

«Геометрия радуги» в небе описана давным-давно. Обычно в небе видны две разноцветные концентрические дуги – одна яркая, а другая побледнее. Каждая дуга является честью окружности, центр которой лежит на прямой, проведенной через солнце и глаз наблюдателя. Эта прямая – своеобразная ось, и вокруг нее изогнута радуга. Глаз наблюдателя оказывается в вершине конусов, в основании которых – разноцветные дуги. Образующие этих конусов с осью соответственно составляют углы 42 и 51°. Солнце светит из-за спины наблюдателя, и, чем ниже оно опускается к горизонту, тем выше поднимается вершина радуги. В тот момент, когда солнце касается горизонта, можно увидеть полукруглую радугу – большей она никогда не бывает. Если же солнце поднимется над горизонтом бо лее чем на 42°, вершина яркой радуги уйдет за горизонт.

 

Все происходит так, будто негнущиеся прямые, как коромысло, закреплены в точке О , где находится глаз наблюдателя, а на концах коромысла – солнце и вершина радуги. Это означает, что у каждого наблюдателя «своя» радуга, изогнутая вокруг «своей» оси, той самой, которая проходит через его глаз. Радуга все же не настолько «своя», чтобы стоящие рядом не могли обсуждать ее красоту. Они видят практически одно и то же, так как солнце удалено от наблюдателей на расстояние, неизмеримо большее, чем расстояние между ними. И еще: дойти до радуги, как и до горизонта, невозможно. И приблизиться к ней тоже невозможно, потому что это означало бы изменение всей геометрии радуги, в частности угла при вершине конуса. А его соблюдение – первейшее требование и физики и геометрии радуги.

К геометрическим сведениям следует отнести данные о порядке чередования цветов в радугах. Как известно, в радуге представлены «все цвета радуги» – от красного до фиолетового. Порядок цветов в дугах обратный, и друг к другу они обращены красными полосами. Вот и вся геометрия радуги, во всяком случае той, которая сотворена каплями в небе.

Теперь о физике радуги. Ее история восходит к 1637 г., Когда французский философ и естествоиспытатель Рене Декарт впервые понял роль капли в возникновении радуги. Свое открытие он подтвердил расчетом , потребовавшим затраты огромного труда: он проследил путь в сферической капле десяти тысяч параллельных солнечных лучей, Первый из них касается поверхности капли, а деся титысячный проходит через ее центр, т. е. расстояние между крайними лучами равно радиусу капли.

 

Схема опыта, в котором радугу можно воспроизвести в лаборатории

Идея Декарта была проста и естественна. Он считал, что солнечные лучи, двукратно преломляясь в капле и один раз отражаясь от ее поверхности, могут попасть в глаз наблюдателя. Проследив такой путь десяти тысяч лучей, он убедился, что все лучи, номера которых приблизительно находятся между 8500 и 8600, будут из капли выходить практически в одном и том же направлении, под углом 42° к оси радуги. Следовательно, среди прочих это направление выделено своей яркостью, и стократно усиленный луч воспримется наблюдателем. Конечно, преломляют и отражают лучи все капли, витающие в небе, но глазом будут восприняты световые сигналы лишь от тех, которые расположены на дуге, удовлетворяющей требованиям геометрии радуги, прямо следующей из ее физики.

Все рассказанное о десяти тысячах лучей касается главной радуги, той, к которой относится цифра 42°. Если же мы рассмотрим более сложный путь лучей в капле – два преломления при двух, а не одном отражении – получим объяснение второй дуги, к которой относится цифра 51°.

В разумности идеи Декарта можно убедиться, сотворив радугу в лаборатории с помощью одной искусственной огромной «капли». Ее можно создать, заполнив сферическую стеклянную колбу водой. Колбу надо поставить перед экраном и через отверстие в нем направить на колбу параллельный сноп света. На экране образуется полное цветное кольцо, удовлетворяющее всем требованиям «геометрии радуги».

Появление цветов – естественное следствие зависимости показателя преломления от длины волны света. В кап ле происходит то же, что в стеклянной призме, которая разлагает белый свет на «все цвета радуги». «Физика» радуги остается неизменной при различных «геометриях» – для радуги на мокром асфальте и на скошенной траве, покрытой росой.

Еще следует упомянуть об эффектах, связанных с малостью размера капель. Те капли, которые в основном творят радугу, имеют диаметр 0,08 – 0,20 мм. При таких размерах надо учитывать, что свет имеет волновую природу. Связанные с этим изменения элементарной теории Декарта, который рассматривает луч, а не волну, оказываются не очень существенными.

Если бы создающие радугу капли сохранялись в небе, не изменяясь, радугу можно было бы наблюдать в течение не более 2 час. 48 мин: именно за это время солнце по небосводу проходит дуговой путь в 42°. Но каплям в небе не свойственно долголетие – они испаряются, соединяются и, увеличивая свой размер, опадают. Все это отражается на радуге – на яркости ее цвета, ширине соответствующих световых полос, продолжительности ее жизни. Когда капель становится мало, радуга блекнет и исчезает.

КАПЛИ РОСЫ

Все красоты Неаполитанского залива не променяю я на ивовый куст, обрызганный росой.

К. Паустовский

Счастливый день в жизни естествоиспытателя

Слово «естествоиспытатель», сказанное об исследователе природы, звучит точнее и емче, чем слово «ученый». Естествоиспытатель – испытывающий естество, экзаменующий природу, требующий от нее ответов на вопросы.

Кристаллограф Георгий Глебович Леммлейн был истинным естествоиспытателем. Он умел как-то доверительно общаться с природой, чутко прислушиваться к тому, что отвечала она на его умело заданные вопросы. Его творческая жизнь была посвящена мертвой, каменной природе, объекты его исследований тверды и молчаливы, а ему они открывались и рассказывали о себе.

Много раз мне доводилось слышать и читать о том, что между наукой и искусством нет разделительного вала, что в истинном естествоиспытателе живет художник, а настоящий художник в какой-то мере исследователь природы. Я понимал, что эта мысль верна, почти тривиальна, но до встречи с Георгием Глебовичем она жила во мне логически разумным утверждением – и только. А в нем я увидел живое воплощение союза науки и искусства. Он был из тех естествоиспытателей, которые видят то, на что иные смотрят невидящим взором.

Расскажу об одном счастливом дне в его жизни: в тот день ему довелось почти в прямом смысле слова «одним дыханием» сделать два важных открытия. Об одном из них расскажу вскользь, а о другом подробно, так как в этом открытии капля – главный герой.

В один из дней начала 1945 г., сидя за столом в лаборатории роста кристаллов Института кристаллографии АН СССР, Георгий Глебович Леммлейн изучал под микроскопом кристалл карборунда. О том, что произошло дальше, он так рассказывал своим ученикам:

– Я долго сидел за микроскопом и рассматривал поверхность карборунда. Очень устал и, не отодвигаясь от тубуса, тяжело выдохнул: «Уф!..» И тотчас заметил, как расцвел, обогатился рельеф поверхности кристалла. Выдохнул еще раз – уже нарочно. Снова то же самое. Понял, что это роса от моего дыхания. В этот и последующие дни стал с увлечением использовать новый трюк.

К появлению капель влаги на поверхности кристалла можно было отнестись по-разному. Например, решить, что обращаться с образцом надо поаккуратнее, не дышать на него, чтобы ничто постороннее не помешало наблюдать истинную структуру поверхности. Леммлейн, однако, поступил совсем не так, а в некотором смысле наоборот. Он немедленно воспроизвел явление, специально подышал на кристалл и убедился в том, что исчезнувший узор, очерченный росинками, появился снова. А затем воспроизвел еще и еще раз и убедился, что росинки не мешают увидеть истинную структуру поверхности кристалла, а наоборот, благодаря им очерчиваются такие тонкие детали рельефа, перед которыми обычная техника оптической микроскопии бессильна. Так был открыт «метод росы» Леммлейна. Сущность его заключается о том, что на холодной поверхности кристалла роса оседает вдоль различного вида неоднородностей поверхности – ступенек, контуров микроскопических ямок – участков, где почему-либо сконцентрировался электрический заряд.

20 марта 1945 г. на заседании отделения физико-математических наук АН СССР Г. Г. Леммлейн рассказал о своем открытии. Говорил о том, что поверхность реального кристалла, кажущаяся гладкой, зеркальной, великолепно отражающая свет, в действительности имеет очень тонкий рельеф. Благодаря росинкам можно сделать видимыми в оптическом микроскопе ступеньки, высота которых в 10 раз меньше длины волны видимого света. В пересчете на межатомные расстояния это около 10 атомных ступенек!

 

Фотография одного и того же места поверхности кристалла. Справа – до декорирования, слева – после декорирования водяными каплями

Декорирование поверхности монокристалла поваренной соли твердыми капельками золота. Фотография получена в электронном микроскопе при увеличении в 40 000 раз

«Метод росы» – великолепная находка естествоиспытателя. Беда только, что роса быстро испаряется и картина декорирования деталей структуры поверхности исчезает. Появилась мысль осаждать на поверхность кристалла росу не водяную, а из другого вещества, которое испаряется медленнее. А можно поступить иначе: осаждать росинки из вещества, которое закристаллизуется, и детали рельефа будут декорированы не жидкими, а твердыми, застывшими капельками. Вещество было найдено – хлористый аммоний. «Метод росы» превратился в «метод инея» – надежный способ обнаружения и исследования тонкого рельефа поверхности.

А потом, как это часто бывает в истории науки, идея начала жизнь, не зависящую от автора. В разных лабораториях изыскивали вещества, с помощью которых можно декорировать детали поверхностного рельефа на различных кристаллах. Например, поверхность каменной соли можно декорировать парами золота, другие кристаллы парами висмута, сурьмы, иных веществ. Таким образом научились обнаруживать неоднородности поверхности, как принято говорить, «на атомном уровне».

В тот же день Леммлейн сделал еще одно открытие: рассматривая кристаллы карборунда, покрытые капельками росы, он заметил, что на некоторых участках поверхности росинки располагаются в форме спиралей. Это не случайные структуры – капельные спирали свидетельствуют об особом механизме роста кристаллов карборунда. Теперь этот механизм подробно изучен и получил название механизма слоисто-спирального роста.

Засада на росу

Эта засада не преследовала никаких агрессивных целей: ни пленять, ни тем более убивать росу мы не собирались – просто хотели проследить за тем, как на рассвете появляются росинки на листьях и паутине и как они исчезают с восходом солнца. Следили и за теми росинками, которые выпадают после дождя, когда воздух влажный и теплый. И вооружение у нас было самое мирное: кинокамера, фотокамера и лампа со вспышкой. А наши трофеи – отснятые пленки и свежие наблюдения из числа тех, которые лишенная эмоций оптика не регистрирует.

Вначале немного сведений о росе, заимствованных из школьного учебника. В окружающем нас воздухе всегда имеется некоторое количество влаги. Есть, однако, предел ее содержанию, и если почему-либо в воздухе влаги оказалось больше этого предельного количества, она начнет выпадать, оседая на различных предметах отдельными каплями. Чем выше температура воздуха, тем большее количество влаги может в нем находиться, не выпадая в росу. Если же воздух, содержащий определенное количество влаги, охладить, при некоторой температуре имеющийся в нем запас влаги станет предельным и появится роса. Этот процесс подобен тому, что происходит в стакане воды с растворенной в ней солью. Охлаждая воду, мы увидим, что при некоторой температуре на дне стакана начнут появляться кристаллики соли – подобие росы.

 

Так с восходом солнца исчезает роса на траве

 

А так – на паутине

Любопытное наблюдение. Когда солнце, согревая воздух, начинает высушивать росу на траве, создается впечатление, будто росинки становятся крупнее. В какой-то мере это только впечатление, потому что раньше других испаряются мелкие капли, а оставшиеся крупные росинки способствуют впечатлению, будто средний размер увеличился. А в какой-то мере увеличение росинок действительно происходит, во всяком случае может происходить, поскольку избыточная упругость пара вблизи изогнутой поверхности росинок ( Δ Р ) и радиус кривизны их поверхности связаны соотношением Δ Р ≈ 1/ R , то вблизи крупных росинок Δ Р меньше, чем вблизи мелких. И поэтому может происходить перенос влаги от мелких росинок к крупным. Именно об этом было подробно рассказано в очерке «Капля пустоты» на примере реальных капель и на примере пор.

Дождевые росинки обычно крупнее тех, которые возникают на рассвете. Капли падающего дождя редко задерживаются на паутине: иногда они ее рвут, а иногда, задержавшись на мгновение, продолжают свой полет на землю, и лишь капли моросящего дождя оседают на ее нитях. А когда дождь прошел  и воздух в избытке напитан влагой, на паутине появляется обильная роса: осевшие из влажного воздуха росинки располагаются вдоль нитей паутины, изгибая их. Самые крупные капли оседают на переплетениях нитей – в узлах паутины. Они и живут дольше других, когда со временем росинки, испаряясь, исчезают с паутины.

Две подборки фотографий, которыми иллюстрируется очерк, небольшая часть наших трофеев.

Росинка в солнечном луче

После лекции о капле, которую я как-то читал юношеской аудитории, ко мне подошел один из слушателей и подарил фотографию. На фотографии была запечатлена росинка на листике травы. Отчетливо видны два ярких пятнышка– блика, создающие впечатление, будто росинку пронзил солнечный луч, сверкающий на входе и выходе из нее.

–  Возьмите,– сказал он,– снимок сделан ранним утром, когда солнце только появляется. Много раз я наблюдал, как росинки, осевшие на траве, прокалываются насквозь солнечным лучом. Решил сфотографировать, и будто бы удалось. Странно только, что на входе луча пятнышко менее яркое, чем на выходе.

Он отдал мне фотографию и, немного смущаясь, добавил:

Мне показалось, что травинка с каплей распрямляется по мере того, как восходит солнце. Такое впечатление, будто солнечный луч поднимает каплю и травинке становится легче.

Через некоторое время после этой случайной встречи я постарался разобраться в том, что снято на подаренной мне фотографии. Для этого в лаборатории поставили контрольные опыты, о которых я и расскажу в этом очерке, посвященном росинке в солнечном луче.

Вначале четкое утверждение: два блика, видимые па поверхности капли, конечно же, не соответствуют местам входа и выхода какого-то луча, которого вообще нет, так как солнце посылает пучок света, падающий на всю обращенную к нему поверхность капли. Блики появляются совсем по другой причине.

По отношению к падающему солнечному свету капля играет роль сферической линзы, которая дважды – на входе и выходе – преломляя падающие на нее лучи, приближает их к прямой, идущей от солнца к капле. Поэтому вблизи поверхности капли, обращенной от солнца, там, где лучи выходят из нее, освещенность резко увеличивается. Это и обнаруживается по яркому блику на поверхности капли. От этого блика, как от освещенного участка вогнутого сферического зеркала (с соблюдением известного закона геометрической оптики, который гласит, что «угол падения равен углу отражения»), в объем капли распространяются лучи.

 

Капля на травинке. Впечатление, будто ее пронзил солнечный луч

Эти лучи могут многократно отражаться от участков сферической поверхности капли, наполняя ее солнечным светом.

Поверхность капли изогнута и спокойна. На ней всегда найдется такой участок, который отразит солнечный луч в наш глаз. На отражающем участке поверхности, обращенной к солнцу, возникнет блик, подобный блику на солнечной дорожке. Блик будет устойчивым, так как форма поверхности капли со временем не изменяется и отражающий участок оказывается недвижимым.

  

Блики на капле при различных положениях глаза наблюдателя относительно солнечного луча

Итак, блик, который на теневой стороне капли,– следствие преломления лучей, а второй блик на участке поверхности капли, обращенной к солнцу,– следствие отражения солнечных лучей этой поверхностью. На первом сконцентрирована интенсивность почти всех лучей, упавши х на полусферическую поверхность, обращенную к солнцу, а второй блик отражает лишь те лучи, которые упали на малый участок поверхности капли. Поэтому первый блик ярче второго. Сказанное можно подтвердить простыми опытами, которые были поставлены в нашей лаборатории. Экспериментировали мы со специально приготовленной моделью капли. Сферическую стеклянную колбу заполнили водой и таким образом стали обладателями сферической линзы – модели капли. Колбу осветили интенсивным параллельным пучком света – на ее поверхности загорелось два блика. Можно было сделать так, чтобы каждый из них светился вне зависимости от свечения другого. Блик, обусловленный отражением света, можно было убрать, приблизив палец к тому месту колбы, где блик светился. А тот блик, в котором собраны все лучи с поверхности освещаемой полусферы, можно было убрать, лишь полностью преградив путь лучам на эту  поверхность. Если же оставался небольшой освещаемый участок этой поверхности – где-нибудь сбоку или посредине,– блик загорался.