21
Кардиграмма ртутного сердца
Доктор физико-математических наук
Я. Е. ГЕГУЗИН
Из множества особенностей и свойств истинного сердца ртутное обладает лишь один — способностью пульсировать, периодически меня свою форму. Ртутному сердцу неведомы ни больше, ни перебои, ни волнения; перед настоящим сердцем оно имеет безусловное и завиное преимущество — может оставиться, сколько угодно долго просуществовать бездействuyа, а затем снова окнить.
У нас в лаборатории в шкафу, где хранятся химические реактивы, живет ртутное сердце. Конструция его совсем проста: фарфоровая чашка с вогнутым домом, на дне чашки — руть в виде расплющенной капли-лужцы (диаметром ≈ 4 см). Она запята только слоем слабого (5-и процентного) водного растора солной кислоты (≈50 мл), в котором растровена соль двухромовокислого калия (K₂Cr₂O₇; ≈60 мг). Фарфоровая чашка прикрыта плескигласовой пластинкой, в пластинке укреплена гайка, а в ней — винт, заканчивающийся железной проволокой-иглюй. Вращая винт, проволоку можно опустить до соприкосовения с проверхостью ртутки, и ртутное сердце начинает работать, то есть ритмические пульсировать.*)
Чтобы такое сердце работает на дежно, проволока должна коснуть проверхостями капли-лужцы либо в центре, либо в одной из точек на контуре.
Пульсация ртутного сердца — зрелше впечатлюше: на чистой проверхости капли возникают переливающиеся блики приудливой формы, и контур капли приобретает быстро меняющее очередное, которые повторяют в каждом очередном цикле пульсаций. Сердце работает без установки: мы оставляем его на час, на два, а однажды оставили на ночь — и утром нашли пульсирующим.
Теперь о механизме пульсации ртутного сердца — лучцы ртути, которая непрерывно вздраивает от соприкосовения с железной проволокой.
Вначале о двух эффектах, с которых необходимо ознакомиться, чтобы понять причину периодических сокращений и расширений ртутной капли.
Первый эффект заключится в уменьшении проверхостного натяжения металла, если на его поверхности имеется электрический заряд. Проще всего это понять на примере свободной сферической жидкой металлической капли, скажем капли ртути. Пусть радиус капли R. Если она не заряжена, вещество, находящее в ее объеме, будет испытывать скимающее давление p_cж=2σ/R. Оно связано с искривлением проверхости (R) и проверхостным натяжением (σ). Допустим теперь, что по проверхостям капли распределен заряд, величины которого q. Очевидно, что носители заряды будут отталкивать друг от друга с силой, величины которой (в соответствии с законом Кулона) пропорциональна квадрату заряда. Это означает, что при неизменном объеме сферической капли (и, следовательно, при постоянном радиuce) наличие на ее проверхости электрического заряд приведет к понижению скимающего давления. Это обстоятельство может быть представлено как следствие понижения проверхостного натяжения на величины Δσ~q².
Мы не стремились к тому, чтобы расчет был точен; важно лишь основание утверждать, что величины понижения проверхостного натяжения не зависит от знака, заряда, находящегося на проверхостии. Порукой тому — квадратная зависимость Δσ от величины заряда q.
Все это нам необходимо знать, как как ртуть в расторе солной кислоты получает заряд, и поэтому проверхостное натяжение на границе ртуть — растор как бы понятается. (Мы не будем подробно интерсовать-
22
ся процессами на этой границе, так как они достаточно сложны.)
Описанный эффект влияния заряда на поверхности на величины поверхностного натяжения, который именуется «электрокапиллярный эффект», был открыт и изучен французским физиком Габриэлем Липпманом (1845—1921) и нашел множество практических приложений.
Второй эффект состоит в том, что в момент, когда металлическая игла соприкасается с поверхностью ртути, величина имеющегося на ртути заряда изменяется, следовательно, эффектное поверхность натяжение также должно измениться. С помощью простого опыта легко убедиться в том, что в момент соприкосовения величина заряда на ртути уменьшается, а вместе с тем уменьшается и то понжение поверхностной энергии, которое наступило, когда ртути была залита растором соляной кислоты. Два последовательных отрицания равносильны одному утверждению: уменьшение понжения ознакомлен по вышению. В момент прикосовения железной иглы к поверхности ртути ее поверхность натяжение немного увеличивается. Следствием этого увеличения должно быть неокторое скатие капли-лужицы, которая на дне чашки под собственной тяжестью расплошлась, и частично приближение ее формы к сферической. Это отсутствив наблюдается, если в центре капли в ее тело погрузить металлический иглу: капля-лужица вздрогнет, и ее горизонтальный диаметр является.
Вот теперь можно понять механизм пульсации. Начнем со случая, когда железная игла касается ртути в точке на контуре лужицы (рис. 1). В момент соприкосовения иглы с поверхностью ртути — соприкосовения, а не внедрения! — поверхности натяжение несколько повышается, ртути лужица уменьшит диаметр, контакт между ней и иглой нарушится. После этого поверхность натяжение должно возвраться к значению, которое было до соприкосовения иглы с каплей, то есть понзиться, а радиус ртути лужицы должен возрастить. Это значит, что лужица соприкосется с иглой и все начнет снова: сокращение лужицы — нарушение контакта, расширение лужицы — восстановление контакта и т. д.
Интересен механизм возникновения пульсации в том случае, когда игла прикасается к поверхности ртути не на контуре ртути, а в ее центре, в макушке (рис. 2). Казалось бы, наступило при этом повышение поверхностного натяжения должно сопровождаться поднятом макушки и образованением ненарушающего контакта с иглой. В действительности, однако, произходит иное. Макушка лужицы чуть наползает на иглу, а затем под действием силы тяжестей от нее. Этот первый импульс дает толок колебаниям, капля раскачивается, сердце начинает пульсировать.
Любопытная деталь: при переное иглы с контура лужицы на ее макушку частота пульсации увеличивается.
23
личивается. Это совершенно аналогично повышению частоты колебаний гитарной струны, если пальцем прижать ее к грифу посередине между точками закрепления.
Необходимо подчеркнуть, что рутное сердце отнюдь не вечный двигаель. Во время его работы расходуется энергия, выделяющаяся при химическом взаимодействии между рутью, железом, соляной кислотой и двухромовокислым калем. В этой реакции расходится исходные компоненты, и она прекратиется, когда, скажем, будет «съедена» железная игла. В «невечности» рутного сердца можно легко убедиться, взяв более тонкую проволочку. Довольно скоро контакт между каплей и проволочкой перестанет воспроизводиться, так как кончик проволоки будет «съеден». Чтобы сердце опять заработало, надо проволочку придвинуть к лучице: явно не вечный двигаель!
Задумали мы снять кардиограмму рутного сердца. Много сведений из нее не извлечешь, разве только определить число пульсаций в секунду (а их можно просто посчитать, наблюдая за лужией, или для верности воспользоваться караммикой кинофильма). То, что рутное сердце здоров, просто отчетливо видно глазами: оно пульсируетритично, без перебоев, явно не уставая (частота пульсаций нашего лабораторного сердца — около 120 ударов в минуту). И все-tаки снять кардиограмму любопытно.
Вначале решили воспользоваться работаюшим сердцем как переврателем электрической цепи, регистрации моменты включения и выключения с помощью самопищущего прибора. От этой мысли, однако, отказались, так как любое электрическое вместеЛЬСТВО в рутное сердце неизбежно исказит его пульсации. Поступили по-иному. Тоненький луч света направлялся на зеркальную поверхность пульсирующей лужицы, а отраженный от нее мечущейся луч подавал сигнал на самомсец, который и записал кардиограмму (рис. 3). На кардиограмме видна последовательность черезюшихся максимумов и минимумов — четких, строгих, периодических, без перебоев, на зависть любому человекскому сердцу.
Рис. 3. Кардиограмма рутного сердца.
Рис. 2. Пульсация рутного сердца, когда металлическая проволока-целла касается максимумов рутной капли-лужицы.