Текст книги "Капля"

Автор книги: Яков Гегузин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 9 страниц)

«Немаленькая» капля деформируется силой тяжести. Это во всяком случае происходит с каплей, которая свободно лежит на твердой поверхности. И нет основания для того, чтобы капля в кристалле не испытывала на себе действия этой силы. Складывается непростая ситуация: капля стремится расплющиться, так как при этом понизится ее центр тяжести и уменьшится ее потенциальная энергия, а кристалл – сохранить полость, содержащую каплю, такой, при которой энергия ее поверхности будет наименьшей. Любое изменение формы равновесной полости приведет только к увеличению ее поверхности, а значит и поверхностной энергии. В этой противоречивой ситуации капля и кристалл находят оптимальное решение.

Естественно может возникнуть недоумение: неужели капля способна вынудить кристалл изменить свою форму? Усилиям наших пальцев массивный кристалл соли не поддается, как же он подчиняется воле капли? Дело в том, что капля может сделать то, чего не могут сделать наши пальцы; она растворит в себе немного соли с боковых поверхности полости и поможет этой соли переместиться на верхнюю поверхность. Таким образом, верхняя поверхность приблизится к нижней, и центр тяжести понизится, а с ним понизится и потенциальная энергия капли.

В ископаемых минералах, в частности в естественных кристаллах солей, тысячелетия подвергавшихся действию силы тяжести, можно найти множество жидких приплюснутых включений. Выть может, именно сила тяжести их и расплющила?

Я вспоминаю великолепный кинофильм, который был снят Г. Г. Леммлейном в первые послевоенные годы. Главными героями этого фильма были кристаллы натриевой селитры с жидкими включениями – каплями раствора натриевой селитры в воде. Особенно запомнились два эпизода, которые впоследствии Леммлейн описал в одной из своих статей.

Сценарий первого эпизода был следующим. Поверхность кристалла натриевой селитры с жидким включением – каплей – ярко освещалась мощной лампой. Небольшой участок поверхности, вблизи которого было включение,– зачернен. Оказывается, капля начинает медленно двигаться по направлению к черному пятнышку. Съемка велась в замедленном темпе, чтобы при демонстрации ленты с обычной скоростью движение капли можно было отчетливо наблюдать.

Жидкая капля самопроизвольно движется в твердом кристалле по направлению к лампе! Возникают вопросы: к излучаемому ею свету? или к теплу? почему движется? как движется?

Движется капля не к свету, а к теплу. В этом легко убедиться с помощью простого контрольного опыта, например такого: поднести к кристаллу несветящийся источник тепла.

Ответы на вопросы «почему» и «как» можно совместить. Дело в том, что растворимость натриевой селитры в воде очень сильно зависит от температуры и даже при малом ее повышении заметно возрастает. Если к капле направлен п оток тепла – от лампы или любого другого источника,– на лобовой ее поверхности температура будет немного выше, чем на тыльной. Это означает, что на лобовой, более горячей, поверхности натриевая селитра будет растворяться, а на тыльной, более холодной, возникший в капле избыток соли будет осаждаться. А это и означает, что капля будет двигаться по направлению к теплу. Скорость движения в опытах Леммлейпа была небольшой – приблизительно 10^-7 см/сек, но важна не величина скорости, а принципиальная возможность на первый взгляд курьезного явления: жидкая капля движется в кристалле! Как следует из рассказанного, реально движется не капля, а атомы вещества кристалла, растворившиеся в ее объеме, но результат такого движения атомов мы воспринимаем как движение капли в кристалле.

 

Маленькое жидкое включение в монокристалле натриевой селитры движется по направлению к крупному включению и поглощается им

Второй эпизод в фильме был еще интереснее. В нем тоже была заснята маленькая движущаяся капелька в кристалле, однако лампа в этом никакого участия не принимала. Опыт был задуман хитро. В непосредственной близости от маленькой капли, движение которой надо было наблюдать, находилась крупная капля неправильной формы. В процессе преобразования ее формы в более правильную уменьшалась поверхность, и значит выделялась некоторая энергия, которая ранее была связана с поверхностью, а затем превратилась в тепло. Вот эта уменьшающая свою поверхность капля играла роль источника тепла, по направлению к которому двигалась маленькая капля. В заснятом эпизоде маленькая капля движется к большой и сливается с ней.

Успех опытов Леммлейна был предопределен удачным выбором объекта или, точнее, тем, что растворимость натриевой селитры в воде очень существенно меняется с изменением температуры. И поэтому даже незначительная разность температур между лобовой и тыльной стенками оказывается достаточной, чтобы движение капли можно было заметить за «удобное» время, а не за тысячи лет, например.

Леммлейн был пионером, а после него появилось множество исследований, посвященных движению жидких капель в кристаллах.

Быть может, любопытное явление – движение капель в кристалле – и не привлекло бы к себе внимания, если бы оно было подобно соловьиным трелям, которые, как известно, до сих пор в инженерной практике не применялись. Но оказалось, что движение капель можно использовать для решения многих практически важных задач. Назовем для примера две из них.

Получение пресной воды из морской. В процессе замерзания морской воды образуются капли с повышенным содержанием соли. Если их изгнать из льда, оставшийся лед, свободный от капель, будет содержать соль в количестве меньшем, чем морская вода, т. е. окажется частично опресненным.

Упрочнение льда. В условиях Крайнего Севера лед – строительный материал, и важно, чтобы он был прочным. Его прочность, однако, понижается из-за содержащихся в нем жидких капель. Надо освободиться от них, и тогда лед станет более прочным. Сделать в принципе это можно, заставив капли двигаться до тех пор, пока они не выйдут из льда.

Процесс частичного освобождения льда от капель происходит и самопроизвольно. Глубинные слои льда ближе к воде более теплые, чем те, которые граничат с холодным воздухом, и, следовательно, капли соленой воды будут двигаться по направлению к воде. Вот почему глубинные слои льда оказываются и менее солеными и более прочными.

Капля в кристалле явно достойна внимания естествоиспытателей.

Дипломная работа студента

Вспомните детскую (и не только детскую) забаву – почти горизонтально швырять плоские камешки на спокойную поверхность реки или моря и следить, как они скачут по водяной глади, многократно отражаясь от поверхности воды. Скачущий камешек оставляет за собой последовательность круговых волн, расходящихся от тех точек, где он соприкасался с водой. Вскоре волны затухают, и вода не сохраняет воспоминаний о камешке, проскакавшем по ней.

Камень, брошенный с недостаточной скоростью неумелой рукой, может, разок подпрыгнет, а скорее всего при первом соприкосновении с водой пойдет ко дну. Мастерство бросающего заключается в том, чтобы швырнуть камешек с максимальной скоростью и под очень малым углом к поверхности воды. В этом случае составляющая скорости, направленная в воду, мала, соприкосновение камня с водой происходит импульсно, и по отношению к такому воздействию на нее вода ведет себя почти как твердое тело. В очерке «Капля камень долбит» об этом свойстве воды рассказано подробно.

Можно представить явление, которое выглядит диаметрально противоположно описанному выше: жидкая капля, брошенная с большой скоростью и под малым углом на поверхность кристалла, скачет по этой поверхности. Такое явление должно иметь место и наблюдается, например, тогда, когда из брандспойта поливают асфальт. В самом конце струи, там, где асфальт еще не смочен водой, можно наблюдать скачущие капли. Они оставляют на асфальте мокрые пятнышки. Капель много, и очень скоро становится невозможным проследить за последовательностью пятнышек, оставляемых одной каплей.

Недавно в нашей лаборатории совершенно неожиданно студент-дипломник наблюдал капли, скачущие по твердой поверхности, когда ставил эксперименты по взрыву металлических проволочек, вплавленных в кристалл каменной соли.

Эксперимент заключался в следующем. Через проволочку импульсно пропускался электрический ток большой силы, и она взрывалась. Затем с помощью микроскопа исследовалась структура области кристалла вблизи взорвавшейся проволочки. При некоторых условиях осуществления взрыва кристалл растрескивался, и на оголившихся поверхностях можно было наблюдать пунктирные линии, состоявшие из пятнышек, которые оставила скачущая капля расплавленного металла проволоки.

 

Пунктирная последовательность следов во всех случаях завершалась каплей, которая, израсходовав свою энергию в скачках, прилипла к поверхности и закристаллизовалась на ней.

По фотографиям можно проследить некоторые особенности скачкообразного движения капли на поверхности кристалла. Но прежде чем это сделать – немного теории.

Допустим, что жидкая капля, радиус которой R , падает на плоскую поверхность под малым углом φ между поверхностью и направлением скорости. Если бы капля обладала свойствами абсолютно упругого тела, т. е. без потерь энергии отражалась от поверхности кристалла по закону «угол падения равен углу отражения» и воздух не препятствовал ее полету, она скакала бы по его поверхности сколь угодно долго и длина скачка l оставалась бы неизменной. Эту длину легко вычислить. Воспользуемся обозначениями, которые указаны на рисунке. Очевидно, в направлении, параллельном поверхности кристалла, капля, имея скорость υ₁ = υ ₀ cosφ , будет лететь в течение всего того времени, которое понадобится ей для того, чтобы в поле земного тяготения вначале подняться от поверхности на максимальную высоту, а затем с этой высоты спуститься на поверхность кристалла. Это время -

τ = 2 υ ₁ / g

В приведенных формулах мы воспользовались тем, что φ мало. Только в этом случае можно считать, что cos φ ≈ 1 , a sin φ ≈ φ .

Так было бы, если бы выполнялись обусловленные идеальные обстоятельства. В действительности капля, прыгая по твердой поверхности, теряет энергию. Во-первых, полету препятствует воздух и часть энергии расходуется на преодоление его сопротивления. Во-вторых, в момент удара капля вязко деформируется, а затем, оттолкнувшись от поверхности, восстанавливает свою форму. И на это необходима энергия. В-третьих, в каждой точке, где капля коснулась твердой поверхности, остается жидкое пятнышко. Его появление можно представить себе как отщепление от капли жидкой пластинки, т. е. появление двух свободных поверхностей жидкости, площадь каждой из которых равна площади оставленного пятнышка. При этом расходуется энергия W_s = 2а• S , где S – площадь пятнышка. Точно учесть все потери энергии скачущей капли – дело совсем не простое, так как они зависят от очень многого: скорости полета, массы капли, вязкости и поверхностного натяжения вещества капли. Величина этих потерь изменяется от скачка к скачку. Если сделать заведомо упрощающее предположение, что в каждом очередном скачке капля теряет одну и ту же энергию W , изменяя при этом массу незначительно, можно определить длину n-го скачка (l _п) с помощью формулы, которая следует из предыдущей:

 

Полученная формула свидетельствует о том, что каждый следующий скачок должен быть короче предыдущего. Кроме того, из нее следует, что общее число скачков не может быть больше, чем п* = W ₀ / Δ W . Фотографии подтвержда ют сделанные выводы: последующий скачок действительно короче предыдущего, и число скачков ограничено.

Так как конец пути капли на фотографиях запечатлен достовернее начала, можно надежно выяснить судьбу капли, прослеживая ее траекторию в направлении, противоположном направлению полета. Оказывается, что перед самым финишем на последнем этапе капля (которая изображена на приведенной фотографии) весила всего 4 ^. 10^-8 г и имела энергию ~3 ^. 10^{- 6} эрг, т. е. ее скорость была немногим больше 10 см/сек.

Жидкая металлическая капля скачет по поверхности кристалла соли

А на предпоследнем этапе, с учетом того, что его длина и масса капли были большими, скорость полета капли оказывается существенно большей – около 100 см/сек. Двигаясь так от конца пути к его началу, можно восстановить все характеристики скачкообразного движения капли и вычислить, сколько и на что она тратила свою энергию при каждом очередном столкновении с поверхностью. Здесь мы этого делать не будем. Это сделал студент в своей дипломной работе.

Каплеподшипники

Иные идеи привлекают не столько практическими последствиями, сколько неожиданностью поворота мысли, талантливой курьезностью. Эстетическое наслаждение доставляет неожиданный взгляд на известное явление или процесс, решение, которое, казалось бы, на виду у всех, а заметил его кто-то один – более зоркий, менее предубежденный.

Идея каплеподшипников была высказана Я. И. Френкелем в 1950 году. В «Журнале технической физики» появилась короткая, в одну страничку, заметка, в которой излагалась идея и высказывалась надежда на то, что она, эта идея, быть может, окажется полезной приборостроителям. Существо идеи заключается в возможности замены в шарикоподшипниках стальных шариков жидкими каплями. Капли не смачивают поверхность гнезда и благодаря этому сохраняют свою индивидуальность. Правда, неожиданно? Каленую сталь предлагается заменить жидкостью!

Осуществить такую замену, пусть в небольших и не очень нагруженных подшипниках, заманчиво, так как технология изготовления стальных шариков, диаметр которых должен выдерживаться с большой точностью, очень сложна и дорога.

Идея возникла после того, как были подробно и тщательно изучены закономерности движения свободной капли по наклонной плоскости и капли, расплющенной между двумя пластинками, из которых одна покоится, а другая – движется. Имеется в виду, что вещество капли плохо смачивает или не смачивает твердую поверхность.

Чтобы капля двигалась, ей совсем не нужно быть сферической. Капля жидкая, и потому она может перемещаться вследствие переливания жидкости сзади (и сверху) вперед (и вниз). Такое движение – оно отлично наблюдается, когда дождевая капля ползет вниз по оконному стеклу,– мгновенно бы прекратилось, если бы капля замерзла. Иными словами, то, что может быть доступно твердому телу только в случае, если ему придать форму сферы, капле доступно отнюдь не сферической, а расплющенной, потому что она жидкая.

Итак, капелька может двигаться между двумя поверхностями не механизмом качения, а механизмом переливания. При таком движении капли (оно наблюдается и у очень сплющенных капель) ее центр движется со скоростью вдвое меньшей, чем относительная скорость взаимного перемещения пластин. Это очень напоминает движение гусеничного трактора. Он движется со скоростью вдвое меньшей, чем скорость движения той части гусеничной ленты, которая не касается земли.

Еще одно важное свойство капель, укрепляющее идею каплеподшипников: с ростом давления, которое приложено к расплющенной капле, радиус жидкой лепешки растет медленно, лепешка упорно сопротивляется прилагаемой к ней нагрузке.

Естественно, может возникнуть следующая мысль: быть может, не следует мудрить с каплеподшипниками, а просто, как это делается издавна, поместить между трущимися поверхностями обыкновенную жидкую смазку – способ надежный и проверенный. В огромном числе случаев именно так и следует поступать. И все же каплеподшипники существенно отличаются от слоя жидкой смазки, который равномерно расположен между трущимися поверхностями.

 Во-первых, жидкая смазка – это, как правило, жидкость, хорошо смачивающая твердые поверхности, легко растекающаяся по ним. Взаимное скольжение поверхностей она, конечно же, облегчает, но не очень препятствует их взаимному сближению. Это хорошо иллюстрируется рисунком, на котором видно, что силы, которые способствуют растеканию жидкости, притягивают друг к другу поверхности. Ведь хорошо известно, что две полированные пластинки слипаются, если между ними расположить слой смазки. А капли каплеподшипника будут вести себя совсем не так. Они не смачивают твердые поверхности и поэтому отталкивают их друг от друга.

Во-вторых, пленка смазки – обычно очень тонкая – равномерно заполняет весь зазор между трущимися поверхностями, и поэтому сила, которую надо приложить, чтобы перемещать одну поверхность относительно другой, довольно велика, так как она пропорциональна их площади. А в каплеподшипниках, где трение происходит не в режиме скольжения, как в случае пленки, а в режиме качения капель, сила, необходимая для взаимного смещения поверхностей, оказывается существенно меньшей.

ПОСЛЕДНЯЯ КАПЛЯ

Книга начиналась «Первой каплей». Закончим ее «Последней каплей»: имеющее начало имеет конец.

В начале книги был сформулирован вопрос: «...кто знает, сколько еще будет увидено и понято благодаря капле?» Вопрос риторический и, следовательно, ответа не требует. Он, однако, заставляет подумать о многом, в частности о том, в какой мере современному ученому могут быть полезны образы, сослужившие службу «седой классике», как будничные жизненные наблюдения питают мысль ученого, работающего на переднем крае современной науки.

Возможно, что у некоторых читателей по мере приближения к последним страницам книги возникал недоуменный вопрос: почему автор пишет о старой, как мир, капле, а не о потрясающих воображение достижениях сегодняшней науки, есть ли у него право занимать внимание читателей очерками о каплях в то время, когда, как теперь принято говорить, поток научной информации колоссален? Таким читателям, напомнив о службе, которую капля уже сослужила науке, я посоветую полистать последние тома журналов, в которых реферируются статьи по молекулярной физике, физике невесомости, лазерной технике, геологии, ядерной физике и другим разделам современного естествознания. Они убедятся в том, что интерес к капле не угасает. О ней думают, с ее помощью экспериментируют. Она заявляет о себе в самых неожиданных ситуациях и явлениях.

Впрочем, дело здесь не только и не столько в капле. Капля лишь пример того, как впечатления от окружающей нас природы питают творчество ученого и тогда, когда он мыслит и работает над самыми современными и отвлеченными проблемами естествознания.