Квант

20

КАПЛЯ
Я.Е.ГЕГУЗИН

Три коротенных очерка о капле — это малая малость того, что можно о ней расскаatzать. Ее пристальное изучают и физики, и математики, и биологии, и meteorологии, и даже medicine, интересясь состоянием крови больного, придумали метод «капельной пробы». Кое-что о капле я расскаatzал в недавно вышедшей книге*]. Если читатели «Кванта» пристальные пристмотряс к каплам, они увидят много неожиданного и интересного. Капля достойна внимания жаждуших знать и любящих природу.

*] Я. Е. Гегузин. Капля. М., «Наука», 1973. Рассказ об этой книге вы найдете в конце журнала в разделе «Рецезии, библиография».

Раздавленная капля

Аналогиярождается на перекрестках памяты и раздумий и иногда связывает воедино образы и события, состоящие в очень дальнейем родстве. Неожиданная аналогия, даже отдельная или поверхностная, родившаяся вовремя, может помочь использовать выйти из тупика и осветить путь к решению.

Когда-то, в конце 40-х годов, я участвовал в экспериментальной работе. Ее цель заключалась в определении физических характеристик вещества, которое ранее не исследовалось. Ранее этого вещества в чистом виде просто не было — ценой больших усилий его получили химики.

На первый взгляд, задача совсем не новая, и решать ее следует, дивяясь путими, проторенными многими исследователями, изучавшими физические характеристики других веществ. Наша задача, однako, была усложнена тем, что экспериментровать мы могли лишь с микросоппескими крупинками. Каждая крупинка весила около одной миллионной грамм, а размер ее — несколько десять микрон. Колчеством крупинок мы были очень ограничены — химики их добавали с трудом.

Группа, в которой я работал, должна была определить температуру плавления и поверхностное натяжение вещества в жидкой фазе.

В обычном «макросоппеском» эксперименте температура плавления изменяется легко и просто: в образец погружают термометр и следят за тем, как меняются его показания по мере нагрева образца. температура постепенно возрастает. Когда она достигнет неокоторого значения, ее рост пристановится в связи с тем, что тепло, притекающее к образцу, начинает расходовать не на нагрев, а на процесс расплавления. Эта температура и является температурой плавления. Когда же масса крупинки — одна миллионная грамм, термометр внедрить в нее невозможно, и для оп-

21

ределеня температуры плавления следует искать обходные пути.

Один из участников нашей группы, у которого за плечами были работы в литераном цехе, предложил совсем неожиданное решение задачи. Его память хранила воспоминание, родившее аналогию. В годы войны, — сказал он, — я вел лавку одновременно в несколько одинаковых тигельных электронных. Загружал их алюминевыми чушками и, чтобы определить начало расплавления шихты в печи, не забираясь на ее загрузочную площадку, в каждую печу между чушками вертикально установивал длиной металлической стержень, который был виден над печью. В момент начала плавления стержень наклонлся — это служило сигналом.

Это воспоминание подсказало идею, с помощью которого можно было изменить температуру плавления круплинки. Опыт заключался в следующем. На тщательно отполированной пластинке круплинка. Сверху ее накрывали другой пластинкой круплинка, касаясь круплинки, образовывала неокторный угол с первой пластинкой. Это устройство нагрева, и в тот момент, когда круплинка расплавлялась, верхняя пластинка раздавливала образовывающая каплю и угол между пластинками скачкообразно умешалася. Чтобы надежнее этот момент зарегистрировать, на внешнюю поверхность верхней пластинки нанесли зеркальное покрытие и следили за тем, как отражаемый от нее луч скачом смещается. Пластика, меняющая свое положение, была подобна металлическому стержню, который наклонлся, свидетьвую о начале прощеся плавления. Так как масса круплинки пребрежимо мала по сравнению с массой круплевых пластинок, между которых она зажата, температура круплинки равна температуре пластинок и,

следовательно, изменить ее весы просто.

В описанном опыте, вореки извесной пословите, нам удалось попытать двух зайцев: определить, во-первых, температуру плавления, и, во-вторых — величины поверхности натяжения расплавленного вещества. Дело в том, что верхняя пластинка, раздавливая свежея тяжестую каплю, превращала ее в лепешку определенной толщины. Сколько бы раз ни повторялся опыт по расплавлению одной и той же круплинки, образовавшаяся жидкая капля весом пластинки расплошивалась до одной и той же толщины hh. Эту величины можно было уменьшить, увеличивая вес верхней пластинки. Легко понять, что дальнейшем расплюшивание превращается сLIEDХ поверхностного натяжения, приложенные к той части поверхности расплошенной капли, которая граничит с воздухом. В наших опытах вещество капли практически не смачиваю кварц (именно поэтому опыты иставлись с кварцевыми пластинками) и, следовательно, можно считать, что радиус закругления свободной поверхности r=h2r = \frac{h}{2}.

Величина поверхностного натяжения α\alpha может быть определена из условия равенства давления, которое оказывает пластинка на жидкую каплю (Pμ)(P_\mu), и лапасовского давления (Pπ)(P_\pi) — избыточного давления, обусловленного искривленностью свободной поверхности капли. Если пластинка давит на каплю с силой FF, а плщад ее контакта с расплошенной каплей πR2\pi R^2, то Pπ=FπR2P_\pi = \frac{F}{\pi R^2}. Величина Pπ=αr=2αhP_\pi = \frac{\alpha}{r} = \frac{2\alpha}{h}. Приравнивая PπP_\pi к PμP_\mu, находим формулу, с помощью которой определить величины поверхностного натяжения вещества:

α=Fh2πR2\alpha = \frac{Fh}{2\pi R^2}

Величина hh и RR можно изменить с большой точностью, а силу FF легко определить, зная вес верхней пластинки.

Способ решения стоящей перед нами задачи, который подсказала возникшая вдуг аналогия, конечно же, был не единственно возможным. В данном можно было придумать и иные приемы, но нас прилекла в нем неожиданность аналогии и… возможность определения пословиц о двух зайках.

22

хватит ее и вместе с ней поползет ответно по стеклу, оставляя за собой новый след.

В этом явлении многое нужно изучается в обьясении. Почему одна капли полут, а другие застывают, прикленшись к стеклу? Почему остается за каплей след? И всегда ли он остается?

Прежде чем обязанить, что произходит с джедевой капли на отвеском оконном стекле, рассмотрим поведение капли на гладкой поверхности твердого тела, которая с горизонтом образует некоторый угол ψ\psi. Если бы на гладкой поверхности располагалась не жидкая капля, а, скажем, твердый кубик, произходило бы следующее. До некоторого значения угла ψ\psi кубик по поверхности не дивгался бы, а затем, при дальнейшем увеличении угла, он начал бы скольнить по поверхности. Об этом подробно расссказывают в школе на уроках физики, говоря, что на кубик действуют три силы: сила тяжесте mgmg, сила реакции опоры NN и сила треня FTPF_{TP}.

Будет или не будет скольнить кубик по наклонной плоскости, зависит от соответствии между величины силы треня и проекции силы тяжесте на направление возможного движения кубика (mgsin⁡ψmg \sin \psi):

С увеличением угла ψ\psi сила треня уменьшается (так как FTPF_{TP} пропорциональна NN, а NN уменьшается при увеличении угла ψ\psi), а величины проекции силы тяжесте растет.

Начиная с некоторого значения ψ\psi (при котором mgsin⁡ψ=FTPmg \sin \psi = F_{TP}) при дальнейшем увеличении угла кубик начинает скольнить.

Тепервернемся к капле. Схематически здесь все так же, как в случае твердого кубика: есть сила тяжесте, есть и сила, подобная силе треня, только в случае капли эта сила отличается некоторой особенно, так как капля не скольнит, а переливается по поверхности. По наклонной поверхности жидкая капли отверхности и перетекает вLOBOVУ часть. В этом процессе любой участок жидкости, контактирующий с поверхности, со временем оказывается перед необходимостью от нее. Сила, которая для этого необходима, и является аналогом силы треня, действующей, когда твердый кубик скольнит по твердой поверхности.

Чтобы понять, что проискходит на оконном стекле во время дожления, надо определить две конкурирующие силы: проекцию силы тяжесте на направление, образующей с горизонтом угол ψ\psi (F1F_{1}), и силу, необходимую для отрыва жидкости от твердой поверхности (F2F_{2}) в области твердой части движшения капли:

Сила F1F_{1} с углом ψ\psi связана оченьным соотношением: F1=mgsin⁡ψF_{1} = mg \sin \psi (м — масса капли).

Проискождение силы F2F_{2} связано с тем, что жидкость и твердое тело, на поверхности которого она находится, прягиваются друг к другу слиями молекулярного взаимодействия. Это взаимодействие количество можно охарактеризовать той энергией, которая необходимо затрапить, чтобы отдельный жидкость от твердой поверхности по площики контакта 1 cm2cm^2. До отрыва энергия, связанная с границией жидкости — твердое тело, равная αжт\alpha_{жт}. После отрыва жидкости от твердого тела образуют две поверхности: одна из них — свободная поверхность жидкости с энергией αжт\alpha_{жт}, второй — свободная поверхность твердого тела с энергией αжт\alpha_{жт}.

Таким образом, интересующаяся за энергия отрыва в расчете на 1 cm2cm^2 равна Δα=αжт+αжт−αжт\Delta \alpha = \alpha_{жт} + \alpha_{жт} - \alpha_{жт}.

Имея в виду каплю, которая с поверхности твердого тела соприкается по кругу диаметра 2R, величины силы F2F_{2} можно вычислить, следующее очевидной логике. Мысленно сметим каплю как целое на неокоторе расстояние xx. При этом будет выполнена работа (или затрачаена энергия), равная произведению площади, на которой жидкость оторвалась от твердого тела, на величины Δα\Delta \alpha. Легко сообщить, что эта площадь равна 2Rx и, следовательно, выполнена работа A=2RΔαxA = 2R\Delta \alpha x. А так как работа равна произведению силы F2F_{2} на путь xx, то F2=2RΔαF_{2} = 2R\Delta \alpha. может возникнуть вопрос: почему унитывается затрата энергии на отрыв твердой части капли от поверхности твердого тела и не унитывается выигрыщения энергии вследствие «набегания»LOBOVУ части капли на эту поверхность? Дело в том, что энергия, выиграна при «набегании», не используется для облегчения отрыва. Она просто рассеивается, быть может, учитывать нагревая каплю. (Идущеему по болоту не легче вы垃скивать правую ногу из трясины из-за того, что лева в это время легко туда проваляется.)

Чтобы капля поползла по наклонной поверхности, необходимо выполнение условия: F1>F2F_{1} > F_{2}, или mgsin⁡ψ>2RΔαmg \sin \psi > 2R\Delta \alpha.

Учтя, что оконное стекло наклонено по отношению к линни горизонтала под углом ψ=90∘\psi = 90^\circ, — а это означает, что sin ψ=1\psi = 1, — легко приедем к заключению, что по стеклу поползут лишь те

23

капли, масса которых удовлетворяет условиям:

m>2RΔαg.m > \frac{2R\Delta\alpha}{g}.

Для простоты предположим, что на поверхности горизонтального стека капля имеет форму полусферы. Тогда

m=23πR3ρ≈2R3ρm = \frac{2}{3} \pi R^3 \rho \approx 2R^3 \rho

(ρ — плотность жидкости капель). Имея это в виду, из предыдущего соответствия легко получим следующий результат: по поверхности оконного стека поползут капли, радиус которых удовлетворяет условиям:

R>(Δαρg)12.R > \left( \frac{\Delta\alpha}{\rho g} \right)^{\frac{1}{2}}.

Изложенные сообщения и простые формулы дают возможность получить многое из того, что происходит во время дохождения на оконном стекле. Во-первых, становится ясным, что движущаяся капля будет за собой оставлять след при условии, если величины Δα>2αж\Delta\alpha > 2\alpha_{ж}. В этом случае капле выгоднее смешаться по оставляемому на стекле жидку слою, чем оголять твердую поверхность. Величину Δα\Delta\alpha мы сравниваем с величиной 2αж2\alpha_{ж} потому, что при отрыве жидкой капли от жидкого слоя образуется две поверхности жидкости. Если же величины Δα\Delta\alpha оказывается меньше, чем 2αж2\alpha_{ж}, капли будут скатывать по стеклу, не оставляя за собой влажного слода.

На сухом, точнее, на почти сухом стекле окна капли оставляют след. Это означает, что в последней формуле вместе Δα\Delta\alpha мы можем писать 2αж2\alpha_{ж}. Для воды αж=70 дин/см\alpha_{ж} = 70 \text{ дин}/\text{см}, и потому по оконному стеклу будут скатывать капли, радиус которых больше 0,35 см. По смотите во время дохождения на оконном стекле связано с тем, что все время на нем появляется новые капли. Неокоторы из них — новые дохведение капли, а неокоторы — маленькие капель, возникшие из распадающегося слода, оставляемого движущимся большими каплями.

Описать словами, что происходит на оконном стекле с дохидниками — затем неверойно трудная: никакими словами не передать огромного разнообразия происходящих событий. В лаборатории мы сначала об этом фильм. И назвали его так же, как называется этот очерк, — «Дождь на оконном стекле». Чтобы ответить за печататель все происходящие условия «чернильный» дохды: воду слегка подкрасили черниlamии и направили капли на вертикальное стеckло.

Книokaдры выразительные слов, и поэтому без дополнительных комментариев к очерку прилагается книографма.

24

ВЕСЕННЯЯ КАПЕЛЬ

Много физических явлений связано с весенней капелью. Например, можно рассмотреть о закономерности образования изменительной по совершенству и красоте «капельидной» формы капли, готовящейся от таюшей сосульки. Не могу объяснить почему, но форма набухающей капли мне представляется верхом геометрического совершенства. Разве лишь сфера может сравнить с ней по красоте и логической закономерности формы. Можно рассмотреть о солнечных бликах, живущих на поверхности капли, которая набухает на кончике сосульки. Блики колблюются в ритме дыхания набухающей капли. Можно рассмотреть о весеннем зоне, который, по мысли поэта, сопровождает полет сосульки из зимы в весну. Звон капли звучит во многих стихотворных и музыкальных строках, и, конечно же, следовало бы расссказать об акустике удара капли о поверхности воды или льда, покрыто водяным слоем. Капля разбивает на мелкие осолки, и каждый из осолков вносит звучание в весенний звон.

Много физических явлений связано с весенней