Яков Гегузин - Капля
Опыт заключался в следующем. На стеклянной пластинке поместили маленький кристалл ментола, подогрели его, расплавили, и он превратился в жидкую каплю. Ментоловая капля немного растеклась по стеклу и приняла форму плоской лепешки. Затем взяли ментоловую иголочку — продолговатый кристаллик ментола, сечение которого было много меньше площади капли,— и опустили ее в ментоловую переохлажденную жидкую каплю.
Рассуждали так. Игла из кристаллика ментола может вмешаться в судьбу капли двумя различными способами. Она может явиться затравкой, которая вызовет кристаллизацию переохлажденной ментоловой капли. В этом случае капля, затвердев, останется на стекле в виде твердой лепешки, которая по форме мало отличается от формы жидкой капли. Может произойти и иное: ментоловая игла, оказавшись в непосредственном контакте с жидким ментолом, начнет жадно втягивать его на свои свободные поверхности, чтобы закрыть их жидкой пленкой. Если это произойдет, игла осушит каплю, как бы промокнет ее.
Произошло именно это: у места контакта с каплей игла начала утолщаться. Дело обстояло так. Жидкий ментол, который в виде тонкого слоя наполз на поверхность иглы, кристаллизовался. На возникшую при этом свежую твердую поверхность опять наползал ментол и в свою очередь тоже кристаллизовался. Так происходило до тех пор, пока вся масса жидкой капли не перебралась на иглу. Разумеется, процессы наползания и кристаллизации не следовали один за другим, а происходили одновременно, но наползание было ведущим процессом.
Ментоловая капля наползает на кончик ментоловой иглы
Нам, конечно, повезло — могла бы осуществиться первая возможность, и капля осталась бы на стекле твердой лепешкой. В чем же причина везения? Главным образом в том, что наползал ментол на иглу со скоростью большей, чем кристаллизовался. Опыт с иным веществом, которое, как и ментол, подчиняется правилу, описанному в учебнике физики, окончился бы неудачей, если бы соотношение между скоростью наползания и кристаллизации было неблагоприятным для проявления наползания и капля отвердела бы прежде, чем заметная ее часть успела бы наползти на иглу.
Обнаружив, что игла может осушить каплю, мы решили заснять этот процесс на киноленту и теперь показываем студентам двухминутный фильм на лекции, посвященной явлениям на границе между твердой и жидкой фазами. Кинограмма, иллюстрирующая очерк, смонтирована из кадров этого фильма.
Талая вода
Весеннюю капель, таяние снега, ручейки талой воды я почему-то всегда встречаю с грустью. Приход весны вызывает у меня ощущение не начала чего-то, а конца... Все свои планы я строю не на «учебный год» и не от новогодней ночи и до новогодней ночи, а от талой воды и до талой воды. Гонг, отбивающий годы, в моих ушах звучит весенней капелью.
Каждую весну я с грустью гляжу на талую воду. Много весен мелькало, но никогда я не задумывался над тем, как снег — белый и пушистый — рождает талую воду? Вопрос этот не возникал, видимо, потому, что ответ предполагался простым и давно известным: снег состоит из снежинок — кристалликов, эти кристаллики, как и все кристаллические тела, при определенной температуре плавятся, превращаясь в жидкость. Для снега эта «определенная температура» — нуль градусов. Вот и все.
Мне «по долгу службы» следовало бы больше знать об особенностях плавления снега. Снег ведь это не просто совокупность отдельных снежинок, каждая из которых ведет себя независимо. В снеге снежинки соприкасаются, образуя ажурную конструкцию из кристаллов и пустоты, а это, быть может, как-то влияет на судьбу отдельной снежинки? Быть может, капля воды рождается снегом не так, как снежинкой? Следовало бы знать, но я этого не знал, и лишь благодаря случаю пристальнее пригляделся к тому, как рождается талая вода — капля за каплей.
Я жил зимой в лесу, в небольшом деревянном домике. В отличие от сказочных лесных избушек, забытых богом и людьми, этот домик людьми не был забыт. Люди, персонал Дома отдыха, домик утеплили, установили в нем много батарей парового отопления и гнали по ним столько горячего пара, что в комнате было нестерпимо жарко. Температура воды в графине достигала, кажется, 30° С. Пить эту воду было неприятно, и я решил приготовить холодную воду — растопить снег и напиться талой воды. Вокруг домика было много свежего, сверкающего снега.
Здесь начинается рассказ о физическом опыте. Назовем его так: опыт первый. Прозрачный стеклянный стакан я доверху заполнил снегом, немного притрамбовал его и поставил в комнате на столе. Со временем снег опустился ниже кромки стакана и отстал от стекла. Минут через пятнадцать объем снега уменьшился почти вдвое. Снег терял белизну, в нем явно образовывалась вода, но на дне стакана ее не было — ни капли! Первые капли талой воды появились позже, когда снег, промокнув, начал в стакане расползаться, оседать.
Последовательность кадров фильма о таянии снежных сфер
Этот случайно поставленный опыт убедительно свидетельствовал о том, что, плавясь, снег удерживает в себе воду. Или лучше так: ту воду, которая раньше всего образуется на поверхности снега, где температура наиболее высока, снег всасывает в себя. Это удивительно напоминает осушение ментоловой капли ментоловой иглой. Вместо ментоловой иглы — пористый снег, в котором много поверхностей, «жаждущих» покрыться водой, вместо жидкого ментола — вода, образующаяся при плавлении поверхностного слоя снега.
Первый случайный опыт мне показался нечистым, «упрекаемым», так как не все участки поверхности снега в стакане были в одинаковых условиях: боковая поверхность и верхний торец снежного цилиндра соприкасались с воздухом, а нижний торец, на котором цилиндрик стоял,— со стеклом стакана. Я поставил опыт преднамеренно — опыт второй. Из снега слепил небольшой шарик — такой, каким ребята играют в снежки. Продел сквозь него нитку и наблюдал за тем, что происходит со снежной сферой, прежде чем от нее отделится первая капля талой воды.
Позже, уже в условиях лаборатории, этот опыт был повторен аккуратнее, со многими снежными сферами разных размеров, и все увиденное заснято кинокамерой. Чтобы результаты опытов можно было обработать количественно, рядом с шарами расположили масштабную линейку и часы. Кинолента рассказала о том, что со временем при комнатной температуре все снежные шары уменьшаются. Внизу каждого из них появляется вода, которая, однако, не капает, а остается в снегу. Снежная сфера со всех сторон равномерно обогревается воздухом, и вода появляется на всей ее поверхности. Капиллярными силами она втягивается в объем сферы, а затем под действием силы тяжести собирается в ее нижней части. Здесь сфера темнеет. Накапливающаяся вода продвигается к «макушке» сферы, и, когда весь объем сферы «напьется», от нее отделится первая капля. А затем капля за каплей — весь снег истечет талой водой. Чем меньше сфера, тем раньше появится первая капля.
Немного простых рассуждений. Очевидно, перед рождением первой капли, насытившись водой, т. е. заполнив ею все поры, снежная сфера уменьшит свой объем на величину, равную объему пор. Объем пор равен произведению начального объема сферы на одинаковую для всех сфер величину пористости. Именно поэтому относительное изменение объема сферы до момента рождения первой капли не должно зависеть от ее начального размера. Ведь именно эта величина равна пористости. Из опытов и следовало, что относительное изменение объема снежной сферы не зависит от ее начального радиуса.
А теперь — немного стихов. Как-то мне попались на глаза такие строки о таянии снега:
...Что зима с землей ни делала,
Как ни била, как пи жгла —
Из-под снега, из-под белого
Снова речка потекла...
Стихи эти очень складные, но очень неточно отражают процесс таяния: «из-под снега, из-под белого» талая вода не течет. А вот строки из стихотворения Николая Заболоцкого «Оттепель»:
...Оттепель после метели.
Только утихла пурга,
Разом сугробы осели
И потемнели снега...
Из-под такого снега талая вода вскоре появится — вначале капля, а затем бурный весенний поток.
Весенняя капель
Много физических явлений связано с весенней капелью. Например, можно рассказать о закономерностях образования изумительной по совершенству и красоте «каплевидной» формы капли, готовящейся оторваться от тающей сосульки. Не могу объяснить почему, но форма набухающей капли мне представляется верхом геометрического совершенства. Разве лишь сфера может сравниться с ней по красоте и логической законченности формы. Можно рассказать о солнечных бликах, живущих на поверхности капли, которая набухает на кончике сосульки. Блики колеблются в ритме дыхания набухающей капли. Можно рассказать о весеннем звоне, который, по мысли поэта, сопровождает полет сосульки из зимы в весну. Звон капели звучит во многих стихотворных и музыкальных строчках, и, конечно же, следовало бы рассказать об акустике удара капли о поверхность воды или льда, покрытого водяным слоем. Капля разбивается на мелкие осколки, и каждый из осколков вносит свое звучание в весенний звон.
