Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

• Название: Необыкновенная жизнь обыкновенной капли
• Автор: Марк Волынский
• Издательство: Издательство «Знание»
• Жанр: Физика
• Год: 1986

---

 Рассказ об одной из проблем прикладной гидроме­ханики хочу завершить эпизодом, в котором проявилась поразившая тогда нас интуиция профессора Абрамови­ча, создателя теории центробежной форсунки. Задача выбора формы реактивного сопла — одна из основных в прикладной газодинамике. Наука знает много приме­ров, когда простота конструктивного воплощения идеи требует очень сложной теории для своей реализации. Сейчас задача решается с помощью ЭВМ — борьба идет за малые доли процента реактивной тяги, завися­щей от контура стенок сопла. Оно изготовляется на вы­сокоточных станках с программным управлением. В ту давнюю, «домашинную» эру приближенный расчет был длительным и трудоемким.

 Однажды конструктор развесил чертежи разрабаты­вавшейся тогда серии сопел. Вошел профессор Абрамо­вич. Он бегло осмотрел чертежи, а затем, к нашему не­доумению, стал пристально вглядываться в верхний угол одного из чертежей, хотя там ничего не было. Вы­брав хорошо отточенный карандаш, он быстрым и плав­ным движением нарисовал, не отрывая грифеля от бумаги, лаконично красивую линию контура, потом мол­ча поставил подпись и дату. Всю серию сопел изгото­вили, эксперименты показали: его экземпляр был од­ним из лучших. Потому что много сопел на бумаге и в железе прошло через его руки, много их было рассчита­но, испытано. Концентрированный опыт отложился в интуиции, и в нужный момент она повела острие его карандаша.

Еще один работник ЦАГИ производил на нас, моло­дых, большое впечатление — Георгий Иванович Петров,теперь академик, крупный ученый в области газодина­мики и реактивной техники. Он тогда занимался иссле­дованием устойчивости течения жидкой струи, продол­жением идей предыдущей его работы по распаду вихре­вых слоев. Он любил обсуждать научные вопросы, шагая по коридору или заглядывая мимоходом в комна­ту. У Георгия Ивановича была манера вести несерьез­ный по форме разговор о серьезных и содержательных вещах. Он мог вдруг прервать беседу смехом, окинув всех сияющим взглядом, как бы приглашая порадовать­ся и подивиться вместе с ним неожиданному повороту мысли или красивому математическому решению. Мне­ния его были порой категоричными:

— Халтура в гидродинамике пошла от скороспелых гипотез, надо искать решения в строгой постановке. Вот Тейлор в задаче о вращении газа ничего не побоялся, лихо расправился с определителем бесконечного поряд­ка— и совпадение с опытом. Метод Галеркина — мощ­ный, но применять его надо с головой... Н. попробовал и нарвался...

Слушать его было нелегко, он пропускал слова, за­глатывал концы фраз — дескать, незачем договаривать, и так все ясно. Но слушать эту звуковую «скоропись» было интересно, его изложение «дышало голой сутью»* После такой беседы тянуло поработать, додумать, ра­зобраться в том, что слышал, углубить мысль, дойти до истинной природы явления. От него я впервые узнал о внутренней связи между явлениями распада жидкой струи и возникновением хаотического турбулентного те­чения из упорядоченного ламинарного.

Общительность Георгия Ивановича, простота в от­ношениях располагала поделиться с ним житейскими передрягами, посоветоваться, рассказать о кинофильме. Петров-академик ничуть не утратил своих молодых ка­честв времен ЦАГИ. Но при всем том требовательность его к уровню научных исследований была очень высока. В критике он становился резким, язвительным, был не­терпимым до ярости к легковесным работам.

— Еще один такой технический отчет, и я променяю этого кандидата наук на два рабочих стола,— говорил он, саркастически улыбаясь (столов тогда действитель­но не хватало, хотя и кандидатов наук было тоже не так много, как теперь).

Круг научных интересов Георгия Ивановича от­личался широтой, его теоретическая работа по распаду струи была одной из первых в отечественной литерату­ре, а в последующие годы он внес серьезный вклад в прикладную газодинамику, теорию электрической плаз­мы, проблемы Тунгусского метеорита... Обладая боль­шой человеческой притягательностью, он возглавил и много лет успешно руководил коллективом замечатель­ных, квалифицированных и способных научных работ­ников.

Рождение капли

После бесед с Георгием Ивановичем Петровым и чте­ния классических работ Рэлея у меня возник острый интерес к проблеме распада жидких струй. «Вот мы охотимся за каплей. А как она возникает? Не вылета­ют же капли из форсунки как дробь из ружья».

В самом деле, как происходит это «обыкновенное чудо», которое, впрочем, никого не волнует, кроме нескольких гидромехаников, исследующих проблемы устойчивости движения. Почему вообще струя распада­ется на капли? Текла бы себе до ближайшего препят­ствия, расползаясь по поверхности тонкой пленкой. Впервые на вопрос этот в 1878 году ответил с позиций математической физики знаменитый английский ученый Рэлей (1842—1919). Он положил начало целому на­правлению в гидродинамике, которое сейчас, с появле­нием реактивной техники, переживает второе рождение.

Работа Рэлея базируется на том факте, что струя всегда испытывает возмущения, вызванные вибрациями, отклонениями стенок от правильных геометрических форм, их шероховатостью и т. п. Если возмущения эти начнут увеличиваться, впадины волн — углубляться, гребни — расти, струя оказывается неустойчивой от­носительно малых колебаний, а волна становится буду­щей каплей; иными словами, волна должна отделиться от струи в виде частицы с диаметром, примерно равным длине волны (рис. 9). Решение Рэлея показало, что струя неустойчива и что амплитуды коротких и длин­ных волн растут с разной скоростью в зависимости от их длины. Но есть самая «легкая на подъем» так на­зываемая оптимальная длина волны λопт, имеющая мак­симум роста среди всех других. Она примерно равна 4,5 диаметра струи. Рэлей принял естественную гипотезу, что диаметр капли определяется величиной именно этой волны. Опыты хорошо подтвердили теорию. Прав­да, результат Рэлея касался частного случая — непод­вижного цилиндра невязкой жидкости; в реальности этому соответствует медленное течение из чуть приот­крытого крана. Искровые фотографии круглой струи показали, что с ростом скорости истечения все услож­няется, изменяется форма колебаний от симметричных к антисимметричным (см. рис. 9). Длина неустойчивых волн, а с ней и размеры капель уменьшаются; из массы волн начинает резко вырываться уже не одна, а две или несколько. И вот самое существенное: вместо одинако­вых капель возникает их целый спектр разных раз­меров.

Мне захотелось внимательней присмотреться к рас­паду пелены центробежной форсунки, пользуясь ее большими масштабами и задав малые скорости истече­ния. К этому времени нас, занимавшихся реактивной тематикой, перевели из ЦАГИ в другой институт. Круг проблем и объем работы возросли, коллектив расширил­ся, строились новые установки и стенды.

Руководителем одной из больших научных лаборато­рий стал видный ленинградский профессор из Политех­нического института А. А. Гухман, специалист по тер­модинамике.

Александр Адольфович Гухман читал лекции в Мо­сковском авиационном институте. Их стали посещать и некоторые наши сотрудники. Многие чувствовали по­требность глубже вникнуть в классические науки, не полностью понятые когда-то на вечерних факультетах, без отрыва от производства. Мы все время пользова­лись формулами технической термодинамики, но иные считали ее скучноватой, формальной.

Обычно инженер, научный работник в прикладной области имеет дело с конструкцией, ему нужно предста­вить конкретную модель происходящего там явления, а еще лучше нарисовать ее на бумаге. Он хочет ощу­тить силовое взаимодействие потоков и тел. А тут какие-то общие начала термодинамики, невидимый кар­кас, в который вроде все вписывается и о который все время стукаешься.

Термодинамика изучает общие свойства, не завися­щие от характера внутренних взаимодействий, и отвле­кается от конкретной игры сил. Шла молва, что лекции Гухмана — образец глубины и красоты. Поэт термоди­намики? Иные недоумевали, но, прослушав его раз, уже не пропускали ни одной лекции до конца курса. «В се­мье наук,— говорил Гухман,— классическая термодина­мика как старая властная тетка: во все вмешивается, ее недолюбливают, но она всегда права. Почему же наря­ду с необходимым уважением ей часто отказывают в должной любви? Чего ей не хватает — логики, строй­ности, строгости? Нет, все эти атрибуты эстетики позна­ния налицо. Отсутствует другое — доступный физиче­ский смысл некоторых ее понятий и особенно ключево­го— энтропии. Будучи наукой структурно-описательной, классическая термодинамика не связывает понятия с механизмом явления».

Он говорил образно, передавая слушателям ощуще­ние строгой красоты своих построений. Мы начинали понимать, как в природе все виды энергии — механиче­ская, электрическая, лучистая — самопроизвольно стре­мятся перейти в тепло. Оно — всеобщая «сберкасса», охотно принимает вклады. Но выясняется — тут ковар­ство: это «сберкасса наоборот», с отрицательным про­центом. Попробуйте вернуть вклад, то есть с помощью машины превратить тепло обратно в работу — вам вы­дадут лишь часть, удержав значительную долю: в при­роде идет непрерывное обесценение энергии. Энтропия есть мера этого процесса.