Яков Гегузин - Капля
При такой оценке времени кажется, что надежда наблюдать подпрыгивающую каплю становится иллюзорной. Но, если каплю на подложке перевести в состояние невесомости или близкое к нему, произойдет то, к чему мы стремимся: потеряв вес, капля приобретает сферическую форму и на нее перестает действовать сила тяжести, мешающая оторваться от пластинки, на которой она лежит. В состоянии невесомости величина g, которая стоит в знаменателе последней формулы, обращается в нуль, а это значит, что т становится равным бесконечности, и капля подскочит даже при сколь угодно медленном преобразовании ее формы. При малейшем изменении формы она оторвется от пластинки и с некоторой скоростью начнет двигаться от нее. Ситуация совершенно аналогична той, в которую попадают космонавты во время полета, когда им приходится специально заботиться, чтобы случайное движение не вынудило их покинуть рабочее место.
Подпрыгнувшая в невесомости капля, колеблясь, свободно летит вверх
Вот теперь можно рассказать о великолепном эксперименте, который в 1970 г. поставили советские физики И. М. Кирко, Е. П. Добычин и В. И. Попов. Их эксперимент состоял в следующем. Тяжелый контейнер, в котором располагались прозрачный сосуд с двадцатиграммовой каплей ртути, залитой раствором соляной кислоты, и автоматически работающая кинокамера, сбрасывался с высоты 20 м. Во время свободного полета, длившегося 2 сек., все содержимое контейнера было практически в состоянии невесомости. Кинокамера зафиксировала происходящее в полете: ртутная лепешка, превращаясь в сферу, подпрыгнула и полетела прочь от дна прозрачной кюветы со скоростью 8,7 см/сек. Это главное наблюдение, сделанное камерой. Проверим, как оно согласуется с величиной энергии, которая должна выделиться при сфероидизации капли. Именно для этой проверки в начале очерка была названа энергия, которая выделяется при сфероидизации ртутной капли весом 20 г. Получив скорость 8,7 см/сек., она унесет с собой энергию Wk= mν2/2= 752 эрг,
т. е. большую часть всей выделяющейся энергии. Не использованными при прыжке остались 1060 — 752 = 308 эрг. Как показала кинокамера, основная часть этой энергии была израсходована на преодоление сопротивления вязкой ртути ее деформированию — движущаяся капля пульсировала, колебалась, и на это расходовалась энергия.
При опытах обнаружился еще один сток энергии — на этот раз энергии движущейся капли. Когда капля подходила к границе соляная кислота — воздух, граница изгибалась и отражала от себя каплю, заставляя ее двигаться в обратном направлении. Часть энергии капли расходовалась на изгиб границы. Ртутная капля, подобно мячику, металась между дном кюветы и границей между соляной кислотой и воздухом. Именно поэтому свою статью, опубликованную в «Докладах АН СССР» (1970, т. 192, № 2), экспериментаторы назвали не совсем академично, но точно и выразительно: «Явление капиллярной игры в мяч в условиях невесомости».
Возникает естественный вопрос: почему этот опыт, в основе своей «классический», постановка которого не предполагает использования каких-либо новых «квантовых» идей, не был осуществлен, скажем, 150 лет назад? Неужели потому, что тогда не было автоматических кинокамер? Но мог же какой-нибудь энтузиаст-естествоиспытатель, держа в руках перед глазами прозрачную кювету с ртутной лепешкой, покрытой соляной кислотой, прыгнуть «солдатиком» в воду с десятиметровой вышки! Вынырнул бы и сообщил, что капля подпрыгнула. И скорость мог бы ее определить по зарубкам на кювете. А вот не прыгнул. Видимо, не было интереса к тому, что может произойти в невесомости. А сейчас, в наш век, интерес к невесомости огромный. Вот и пришла в голову мысль сбросить с высоты контейнер с ртутной каплей и автоматической кинокамерой.
Фильм о слиянии двух капель
Этому фильму предшествовала 26-летняя история. Ее начало восходит к 1944 году, а фильм был снят в 1970-м. Прежде чем всмотреться в кадры фильма, пожалуй, стоит проследить этапы этой истории. Началась она в Казани. Я. И. Френкель был в этом городе в эвакуации и работал над развитием теории жидкости и твердого тела. Он обдумывал вопрос, который и до него возникал перед многими: каким образом твердые, скажем металлические, порошинки, которые соприкасаются лишь в отдельных точках, после длительного отжига при высокой температуре оказываются прочно соединенными, приблизившимися друг к другу,— вопрос, рожденный необходимостью понять физику процессов, которые происходят при спекании спрессованных порошков, процессов, лежащих в основе порошковой металлургии.
Ученый последовательно развивал мысль: в строении твердых и жидких тел много общих черт и процесс плавления не бог весть какое революционное событие в жизни вещества, так как плотность при этом изменяется незначительно, незначительно меняется и расстояние между атомами, а следовательно, и силы, связывающие их. При плавлении катастрофически уменьшается вязкость вещества — жидкость течет даже при малых воздействиях на нее, а твердое тело при таких воздействиях зримо остается неизменным, сохраняя свою форму. В действительности, однако, и оно течет, но это происходит во много раз медленнее, чем в жидкости.
Такое различие свойств жидкости и твердого тела Френкель считал не принципиальным, а только количественным. В кругу этих идей у него и появился ответ на вопрос о том, каким образом твердые порошинки при высокой температуре самопроизвольно сближаются и соединяются в одно целое. Они просто сливаются, подобно тому как сливаются две соприкоснувшиеся жидкие капли. Такое слияние и в случае твердых крупинок, и в случае жидких капель оправданно и выгодно потому, что сопровождается уменьшением поверхности порошинок — капель. Вот, пожалуй, основная идея: порошинки сливаются, и этот процесс приводит к выигрышу энергии. Теперь нужен расчет скорости процесса слияния капель или крупинок. Он завершится формулой, затем эту формулу следует вручить экспериментатору, который выступит третейским судьей между теоретиком и явлением.
Профессор Френкель как-то писал о том, что хороший теоретик обычно рисует не точный портрет явления, а карикатуру на него. Это значит, что подобно карикатуристу, он отбрасывает не очень существенные детали явления и оставляет лишь наиболее характерные его особенности. Талантливый карикатурист нарисует несколько завитков на лбу, кончики пальцев, держащих сигару, узел галстука — и все уже знают, кого он изобразил. Перед физиком-теоретиком почти та же задача. Реальное явление, как правило, очень сложно и описать его абсолютно точно чаще всего просто немыслимо. И Френкель, великолепный теоретик, нарисовал «карикатуру» процесса: вместо реальных крупинок произвольной формы он примыслил две сферические крупинки, вместо реального контакта по какой-то сложной поверхности — контакт в одной точке. И еще одно упрощение он вынужден был сделать: решил описать лишь начальную стадию процесса, когда на образование контактного перешейка между двумя каплями расходуется так мало вещества, что радиусы сливающихся капель можно считать практически не- изменившимися. Он считал, что на этой стадии слияние сферических капель происходит под действием сил, которые приложены только к вогнутым участкам поверхности формирующегося перешейка, движутся только эти участки поверхности, а вся прочая поверхность сфер в процессе участия не принимает.
Теоретик сделал главное: предложил идею и определил условия, в которых проявляются наиболее существенные черты явления. После этого формула появилась без особого труда. Оказалось, что площадь круга, по которому соприкасаются сферические капли, равномерно увеличивается со временем: время увеличилось вдвое и площадь — вдвое, время — втрое и площадь — втрое.
Неизвестно, заботился ли Френкель лишь об удобствах теоретика, определяя черты «карикатуры», или думал и об экспериментаторе, но модель сливающихся сферических капель была экспериментаторами охотно взята «на вооружение». Они припекали друг к другу маленькие стеклянные бусинки, нагретые до высокой температуры. Подчеркнем слово «маленькие» — сферические бусинки имели диаметр не более долей миллиметра. С бусинками более крупными экспериментировать нельзя, так как они будут деформироваться под влиянием собственной тяжести, а этого модель Френкеля не предусматривает. Специально не подчеркивая этого, Френкель предполагал, что капли подвержены лишь силам, которые обусловлены наличием поверхностного натяжения, т. е. находятся в невесдмости.
