Яков Гегузин - Капля
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.
И еще один факт. Яркий блик оставался неподвижным, с какого бы места мы па освещенную колбу ни смотрели, а другой смещался, если, глядя на колбу, двигаться вокруг нее. Причину этого легко понять, посмотрев на ход лучей, схематически изображенных на рисунке.
Предположение юного фотографа, что солнечный луч пронзил росинку, оказалось красивым поэтическим вымыслом. В действительности же все происходит в соответствии с законами геометрической оптики. Впрочем, для естествоиспытателей они не менее красивы, чем поэтический вымысел.
«Застывшие алмазы росы»
Еще в юности я прочел в одном из украинских стихотворений такую строку: «Охололi алмази роси» — «Застывшие алмазы росы». И с тех пор она всплывает в памяти всякий раз, когда глаз останавливается на капле, застывшей на каменной глыбе или льдинкой повисшей на кончике хвойной иглы.
О «застывших алмазах» можно было бы книгу написать. Но здесь речь пойдет лишь о том, что происходит с росинкой, застывшей на камне, и с камнем, на котором росинка застыла.
Итак — капля росы на поверхности камня.
Судьба водяной капли, кристаллизующейся на поверхности твердого тела, во многом определяется тем, что плотность воды больше плотности льда. Именно из-за этого различия плотностей лед, образовавшийся на поверхности реки, не опускается на дно, и реки не промерзают насквозь. Именно поэтому деревянные бочки на морозе лопаются под напором льда, который образуется при кристаллизации воды.
Представим себе на камне каплю росы, в которой должна начаться кристаллизация. Рассуждая схематически, разумно указать три места, где может появиться зародыш кристаллизации: на границе капля — камень, в объеме капли и на границе капля — воздух. Казалось бы, естественнее всего появиться зародышу на границе капля — камень. Ведь именно вблизи этой границы капля нее,чем у «макушки», так как тепло из капли в объем камня отходит активнее, чем в воздух. Оказывается, однако, что на границе капля — камень кристаллизация начинается не всегда. Даже, точнее, так: редко, лишь в тех случаях, когда охлаждение происходит очень быстро. Причину этого выясним позже, а сейчас — о двух других возможностях появления зародыша. Легко понять, что эти возможности практически равнозначны, так как если зародыш и возникает в объеме капли, то он мгновенно всплывает к ее макушке, т. е. к границе капля — воздух. Такой зародыш разрастается, и при этом граница лед — вода будет двигаться по направлению к границе вода — камень, где зародыш «не пожелал» возникнуть. Если зародыш все же возник на границе между каплей и камнем, граница растущего кристаллика будет продвигаться к макушке капли.
Реальность оказывается богаче обедненной схемы. Кристаллизация капли в реальных условиях происходит не только вследствие роста зародыша, которому паша схема предписывает появиться в одном из трех мест капли, но и вследствие образования тонкой корочки— панциря. Его наличие, как оказывается, очень существенно влияет на конечную форму застывшей капли.
Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появился вблизи «макушки» капли. В увеличенном масштабе показана конечная форма капли, на которой виден выброс сбоку
Обратимся к фактам. В Институте кристаллографии АН СССР наблюдали поведение капель расплавленного металла — германия на поверхности неметаллического кристалла—сапфира (это был побочный результат большой исследовательской работы). Подобно воде, плотность расплавленного германия больше, чем плотность закристаллизовавшегося, поэтому наблюдавшееся явление имеет прямое отношение к водяной капле.
Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появляется на границе между германиевой каплей и сапфировой подложкой. В увеличенном масштабе показана закристаллизовавшаяся капля, имеющая коническую форму
В нашей лаборатории были поставлены опыты с системой капля воды — кристалл соли; полученные результаты оказались совершенно подобны тем, которые следовали из опытов с системой капля германия — сапфир. В опытах по кристаллизации капель на поверхности сапфира был тщательно прослежен процесс кристаллизации капель в случаях, когда зародыш возникает на границе между каплей и сапфиром или на макушке капли. У обоих процессов проявилась одна общая черта. Оказывается, что вблизи того участка поверхности капли, где процесс кристаллизации завершается,— у макушки,если зародыш возник вблизи сапфира, и вблизи сапфира, если зародыш возник у макушки, образуется выпуклость, нарушающая естественную форму капли. Происхождение этой выпуклости легко понять.
Дело в том, что под закристаллизовавшимся тонким панцирем имеется еще не отвердевшая жидкость. Ее судьба подобна судьбе воды в бочке: кристаллизуясь, она увеличивает свой объем, и поэтому в наиболее тонком месте прорвет панцирь. Происходит сложный процесс: формируется панцирь, под ним кристаллизуется жидкость, форма панциря искажается, и в каком-то месте он может разломаться. Иной раз на этой завершающей стадии кристаллизации капли она становится источником тоненькой фонтанирующей струйки, которая сквозь панцирь выдавливается кристалликом, растущим в объеме капли. Иногда возникает ветвистый фонтанчик, иногда тоненькая струя-иголочка, которая мгновенно замерзает.
Следовательно, правильным было утверждение, что реальность всегда богаче схемы: капля не просто из жидкой становится твердой, а меняет свою форму и о конце кристаллизации сообщает фонтанчиком.
Вернемся теперь к обсуждению причины, из-за которой зародыш неохотно возникает на границе между каплей и камнем. Дело здесь вот в чем. Образование ледяной корочки на границе с камнем должно сопровождаться деформацией и корочки и камня'. Удельный объем льда больше объема воды, и поэтому образующаяся ледяная корочка должна как бы рвать камень, а он, сопротивляясь этому насилию, будет сжимать корочку. Оба эти процесса связаны с деформацией и кристаллизующейся капли и камня. А это невыгодно, и поэтому естественнее, чтобы зародыш возник вдали от камня, где его появление не связано с возникновением дополнительной энергии. Лишь в крайнем случае, когда теплоотвод в камень велик и температура капли вблизи камня значительно ниже, чем у макушки, зародыш может возникнуть на границе вода — камень.
