Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли
Конденсация — переход вещества из одной фазы (парообразной) в другую (жидкую) в виде мелких капель; происходит, как правило, на ядрах (центрах) конденсации — пылинках, заряженных частицах и т. д.
Лекарственные капли. Укажем лишь самые «популярные»: валериановые, капли Датского короля от кашля (употреблялись в недавнем прошлом), капли Вотчала, Зеленина, ландышевые.
Лакокрасочные покрытия. Раствор краски или другого вещества распылив ают в виде мелких капелек (аэрозоля) с помощью пневмопистолета (тип пневматической форсунки), нанося слой покрытия на различные поверхности.
Медианный диаметр спектра распыливания — диаметр капель в спектре с максимальной плотностью распределения по размерам.
Милликена классические опыты по измерению массы и заряда электрона с помощью капель (счастливая находка Дж. Таусенда, измерениям которого, однако, не хватило точности) в науке стали образцом виртуозной техники. Американский ученый завершил то, что на протяжении почти 16 лет (1897—1912) пытались сделать другие исследователи. Капли в его опытах падали через магнитное поле внутри камеры Вильсона, и их скорость определялась по формуле Стокса с учетом постоянной электрической силы. Были поставлены тончайшие предварительные эксперименты по испарению: капля неподвижно взвешивалась в поле, ее стремление всплыть из-за потери массы компенсировалось электрической силой — так находилась скорость испарения, нужная для точного расчета движения частиц. Длительные наб-, людения обнаружили новый эффект — скачки скорости, что могло происходить лишь в одном случае: если меняющийся заряд падающей капли принимал значения, кратные какому-то минимальному. Это минимальное, неделимое и оказалось зарядом электрона. Так опыт подтвердил «зернистое» строение зарядов, а капелька воды принесла каплю истины — константу масштабов современного естествознания. Заряд электрона в опытах Милликена оказался равным (4,77± 0,005) 10-10 электростатической единицы. Незначительный «довесок» в скобках «дорого стоил», он означал высочайший класс эксперимента и точность результатов, полученных ценой подвижничества и бесконечного стремления к достоверности.
Молоко, которое нам кажется единой сплошной жидкостью, является эмульсией (смесью жидкостей) и состоит из белково-жировых шариков, капель размером порядка 1 микрометра.
Молоко порошковое — продукт распыливания молока в условиях вакуума; после испарения жидкости остается порошок, представляющий собой белково-жировые шарики диаметром порядка 10 микрометров.
Невесомость капли. Известен классический опыт бельгийского физика и анатома Жозефа Плато по невесомости капли. В прозрачный сосуд с водным раствором спирта вводят каплю не смешивающегося с ним масла. Концентрацию раствора подбирают так, чтобы уравнять плотности обеих жидкостей. Тяжесть капли будет уравновешена архимедовой силой, и она станет невесомой. Из игры трех сил на капле: веса, гидростатического давления (их равнодействующей архимедовой силы) и поверхностного натяжения — выбывают две первые. Капля любого размера повисает в жидкости правильным шаром под действием силы поверхностного натяжения, стремящегося придать минимальную поверхность капле при заданном объеме (геометрическое свойство шара).
Сейчас возникла целая область гидродинамики невесомости, важная для спутников и космических аппаратов, на борту которых всегда имеются жидкости различного рода и назначения.
Неустойчивость жидких струй — явление нарастания амплитуды случайных, бесконечно малых начальных колебаний координат поверхности струи (поверхности тангенциального разрыва скоростей струи жидкости и окружающей среды).
Неустойчивость капли — явление деформации капли обтекающим потоком: сначала капля приобретает форму диска, переходит затем в тороидальное кольцо, которое неустойчиво к начальным возмущениям своей поверхности (см. Неустойчивость жидких струй).
Облака — скопление продуктов конденсации водяного пара — капель или кристалликов льда. Капли образуются и растут на ядрах конденсации, затем увеличиваются при слиянии — коагуляции. В условиях отрицательных температур капли становятся переохлажденными.
Для рассеивания облаков (и туманов) в них вводят с земли или самолета хладореагенты — частицы сухого льда, твердого СО2 (углекислоты) или льдообразующее вещество — йодистое серебро. Возникшие кристаллики льда укрупняются и выпадают дождем — «население» облака редеет, капли начинают испаряться за счет уменьшения концентрации пара. Дожди по заказу уже вызывали в ряде стран.
Орошение взрывом. Существуют различные методы и дождевальные установки для искусственного орошения сельскохозяйственных угодий. Отметим новый оригинальный газовзрывной способ. Он обеспечивает выброс и распыливание струи воды на расстояние 100 и более метров при взрыве и воспламенении горючей смеси, подаваемой в свободное пространство — камеру сгорания над жидкостью (изобретение инженера Г. П. Примова). Удается получить относительно однородные капли диаметром не более 600 микрометров. Поливальная машина должна соблюдать свой рацион «кормления» — слишком крупные частицы ранят растения и утрамбовывают землю, а мелкие — быстро испаряются. На литр жидкости тратится 1/4 грамма топлива. Установка получается экономичней и компактней многих других.
Паук. Южноамериканская мастафора (родич обычного нашего крестовика) применяет своеобразный метод охоты: вращает лапками паутину с каплей клейкой жидкости на конце, пока не зацепит неосторожную мошку. «Эти искусные, мерзкие и хитрые пауки» изобрели свой метод намного раньше, чем человек: туземцы-охотники Патагонии бросают вертящуюся веревку с грузиками, стреноживая бегущее животное.
Порошковая металлургия использует (в частности) метод распыливания жидкого металла, капельки которого, застывая, образуют мелкий порошок; из него по специальной технологии (спекание) изготовляют детали машин. Эффективен способ плазменного напыления порошков высокотемпературной газовой струей на поверхность изделия. Часто до 99 процентов массы детали можно изготовить из дешевых сортов стали — порошковая металлургия способна одеть ее в защитную «рубашку»; 60 процентов деталей заменяются из-за износа всего лишь 0,3 миллиметра рабочей поверхности. В металлургии гранул (новое, весьма перспективное направление) пышущий жаром водопад металла распыляют высоконапорной струей воздуха на капли диаметром около 20 микрометров, сразу подвергая их резкому дополнительному охлаждению. За доли секунды возникают гранулы. Гранулированный металл приобретает новые свойства, он идет на изготовление деталей по особой технологии.
Пузырьковая камера — следующий после камеры Вильсона шаг в экспериментальной технике (создатель— американский физик Дональд Глезер, Нобелевская премия 1952 г.). Вильсон использовал пусковой механизм неустойчивого равновесия в пересыщенном паре, а Глезер — аналогичный механизм в неустойчивом равновесии перегретой или нестабильной жидкости. Чем чище жидкость и стенки сосуда, тем меньше размер зародышевых пузырьков газа — будущих центров закипания. Такую жидкость можно перегреть выше обычной точки равновесного кипения, не приведя к закипанию. В обычных условиях температура кипения поднимается с ростом давления, но перегретая жидкость, сжатая поршнем, длительное время не кипит. При мгновенном снятии нагрузки с поршня жидкость становится нестабильной, ее фазовое состояние неустойчивым, температура падает ниже точки кипения, вот-вот готовы возникнуть пузырьки пара.
Быстрая элементарная частица, запущенная в камеру, имеет шансы столкнуться с окружающими атомами — жидкость плотнее газа в сотни раз. Столкновения создают местные центры зарождения пузырьков пара, вереница которых и отмечает траекторию полета частицы — мы снова видим невидимое. Траектория проступает мгновенно, диффузия и конвекция не успевают размыть ее. Например, гигантская пузырьковая камера на жидком водороде «Мирабель» имеет объем 10 м3 и обслуживает ускоритель АН СССР в Серпухове. Существуют и более крупные камеры.
Радуга — явление разложения «белого» света на его «цветные» составляющие в капельках воды, содержащихся в атмосфере, при освещении завесы дождя солнечными лучами.
Распыливания спектр — непрерывное распределение капель, дробящихся в потоке жидкой струи, по различным диаметрам.
