Яков Гегузин - Капля
ЖИВЫЕ КАПЛИ
Столяру Джузеппе попалось под руку полено, которое пищало человеческим голосом.
Алексей Толстой
Капля живого серебра
На языке многих народов ртуть именуется живым серебром, видимо, за блеск и за способность легко перекатываться по твердой поверхности.
В этом очерке — рассказ об опыте, в котором «живость» ртути самоочевидна. Этот опыт в нашей лаборатории проделывали много раз и наблюдали за ним и невооруженным глазом и с помощью кинокамеры. Ставится опыт так. В плоскодонной стеклянной кювете — капелька ртути и неподалеку от нее кристаллик двухромовокислого калия. Затем в кювету наливается такое количество слабого раствора соляной кислоты в воде, чтобы и капля и кристаллик были покрыты раствором. Надо позаботиться
о том, чтобы дно кюветы было плоским и установлено горизонтально. На этом подготовка опыта закончена, теперь следует только наблюдать, глядя на кювету сверху. Кристаллик начинает растворяться, образуя расширяющееся темное облако. Когда край этого облака касается ртутной капли, капля начинает энергично набрасываться на кристаллик. Именно энергично и именно набрасываться, сдвигая кристалл с места, обволакивая его, неожиданно отскакивая в сторону и затем снова набрасываясь. Во время этого процесса капля деформируется, приобретая причудливые формы. Если случайно капля оказывается окруженной равномерным облаком, она успокаивается и ее контур становится круглым. А затем, когда окружение капли слегка изменится, все начинается снова.
Причину такой «живости» капли ртути можно понять, внимательно просмотрев отдельные кадры кинофильма, особенно те, на которых она запечатлена в непосредственной близости от кристаллика. Оказывается, набрасываясь на кристаллик, капля приобретает такое очертание: на лобовой части ее поверхность выпукла, а на тыльной — вогнута. Эта форма создает впечатление, будто кто-то невидимый с тыльной стороны толкает каплю по направлению к кристаллику, вминая ее поверхность.
Дело в том, что раствор, обогащенный молекулами двухромовокислого калия, понижает поверхностное натяжение ртути, и поэтому вдоль периметра капли оно становится неодинаковым, понижаясь на лобовой стороне. Это обстоятельство, вообще говоря, могло бы и не привести к движению ртутной капли по направлению к кристаллику.
Капля ртути, подталкивая кристаллик хромпика, бегает но кругу
Вполне разумными и грамотными являются такие рассуждения: поскольку в любой точке объема ртутной капли давление должно быть одинаковым, контур капли должен стать таким, чтобы лапласовское давление, приложенное к любой точке поверхности капли ртути, было одним и тем же, т. е. чтобы на поверхности выполнялось следующее условие: Р≈ α / R — величина постоянная вдоль всей поверхности капли. Это означает, что там, где меньше α, меньшим должно быть и R.
Вблизи кристаллика капля двухро мовокислого калия должна приобрести грушевидную форму, узкой стороной обратившись к кристаллику. Такую форму приобрел бы резиновый шарик, если бы на одном из его участков резина была потоньше. В этом примере толщина резины пропорциональна величине поверхностного натяжения.
Изложенные соображения справедливы лишь в случае установившегося равновесия, т. е. когда выполняются два условия: первое — ртуть в капле перераспределилась так, что ее форма удовлетворяет условию постоянства лапласовского давления в любой точке поверхности, второе — химический состав среды, окружающей каплю, со временем не изменяется. В действительности, однако, в нашем опыте все далеко от равновесия. Капля не успевает «подстроить» свою форму к возникшему на ее поверхности распределению величины поверхностного натяжения, лапласовское давление, приложенное к тыльной части, оказывается большим, чем приложенное к лобовой. Разница этих давлений и есть тот «невидимый», который толкает каплю на кристаллик. Сложная пляска капли вокруг кристаллика отражает сложное и непостоянное во времени несоответствие истинной формы капли и образовавшегося распределения поверхностного натяжения вдоль ее поверхности.
Мы попробовали обуздать каплю и поступили следующим образом. Из плексигласа изготовили кювету в форме замкнутого кругового канала. Расположили ее горизонтально. В канал поместили каплю ртути, достаточно большую для того, чтобы, расплющившись под влиянием силы тяжести, она коснулась стенок канала. Заполнили кольцевую кювету соляной кислотой и перед ртутной каплей положили кристаллик двухромовокислого калия. Капля набросилась на кристаллик и стала активно толкать его перед собой вдоль кольцевого канала. Зрелище оказалось захватывающим: возникает иллюзия движения живого существа, оно жадно набрасывается на пищу и движется до тех пор, пока она не израсходована.
Кардиограмма ртутного сердца
Из множества особенностей и свойств истинного сердца ртутное обладает лишь одним — способностью пульсировать, ритмически сокращаться и расширяться. Ртутному
Сердцу неведомы ни боль, ни перебои, ни волнение. Лишенное многих свойств истинного сердца, оно перед ним имеет безусловное, завидное преимущество — может остановиться, сколь угодно долго просуществовать бездействуя, а затем снова ожить.
У нас в лаборатории, в шкафу, где хранятся химические реактивы, живет ртутное сердце. Конструкция его несложна: фарфоровая чашка с гладким вогнутым дном, на дне чашки — капля ртути, залитая толстым слоем слабого водного раствора соляной кислоты, в который положена крупинка соли двухромовокислого калия. Фарфоровая чашка прикрыта стеклянной пластинкой, в пластинке укреплена гайка с микрометрическим винтом, заканчивающимся острой железной иголкой. Вращая винт, иголку можно опустить до соприкосновения ее острия с поверхностью ртутной капли, тогда сердце сразу же начинает работать, т. е. капля начинает периодически пульсировать.
Чтобы сердце работало надежно, игла должна коснуться капли либо в ее центре, либо в одной из точек на ее контуре.
Пульсации ртутного сердца — зрелище впечатляющее: на чистой поверхности капли возникают переливающиеся блики причудливой формы, и контур капли приобретает быстро меняющиеся очертания, которые повторяются в каждом очередном цикле пульсаций. Сердце работает без устали: мы оставляли его на час, на два, а однажды оставили на ночь и утром нашли пульсирующим.
Теперь о механизме пульсаций ртутного сердца — капли ртути, которая непрерывно вздрагивает от соприкосновения с железной иглой.
Вначале о двух эффектах, с которыми необходимо ознакомиться, чтобы понять причину пульсаций ртутной капли. Первый эффект заключается в понижении поверхностной энергии металла, если на его поверхности имеется избыточный электрический заряд. Проще всего это понять на примере жидкой металлической капли. Например, капли ртути. Пусть радиус капли Я. Если она не заряжена, вещество, находящееся в ее объеме, будет испытывать сжимающее давление Рл= 2α/R. Оно обусловлено искривленностью поверхности и величиной поверхностной энергии. Допустим теперь, что по поверхности капли распределены заряды, величина которых q. Очевидно, носители этого заряда будут отталкиваться друг от друга с силой, величина которой в соответствии с законом Кулона будет пропорциональна q2/R2. Эта сила обусловит растягивающее давление. Его величину можно оценить, отнеся растягивающую силу к площади сечения капли S ~ R2. Растягивающее давление, как легко видеть, пропорционально величине Pq ~ q2/R4
