Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

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

---

Архитектура из света и капель

Между тем затянувшаяся охота за каплей продолжа­лась, но шла пока без особого успеха. Оказалось сов­сем не просто измерить мелкую, иногда микронных раз­меров, частицу, летящую со скоростями 50—100 м/с. Дело усугублялось широтой спектра диаметров частиц. Имевшиеся в литературе способы измерений в двига­телях внутреннего сгорания нам не подходили.

Обычно рабочий день начинался с открытия. Кто-нибудь приносил очередную «блестящую идею», она представлялась дома такой обещающей, к обеду ее обычно «закрывали» под аккомпанемент беспощадной критики.

В те годы еще не родился метод «мозгового штур­ма», метод психической мобилизации творческой мысли в коллективе. Но мы, начинающие исследователи, на­щупывали его интуитивно. Из шутки, смеха, «всеобще­го трепа» постепенно вырастал серьезный разговор. Как-то сам собой возник обычай свободно высказывать любые безумные или смехотворные предположения и идеи. Поначалу слушатели не без труда воздерживались от зубастых, ехидных замечаний, на которые все были горазды. Но наш руководитель установил правило — отбор и строгая критика отодвигались на последующую дискуссию, когда набирался запас предложений (теперь психологи так и поступают).

— Надо ловить каплю на излете в какую-то мяг­кую подушку, чтобы не дробилась. Я думаю, подойдет паутина...

— Отлично, берем проволочные рамки и айда на чердак.

— Нет, так нельзя... нужно по плану. Рамки пока раздаем уборщицам... а нам всем оформить командиров­ку на завтра в Серебряный бор, там в лесу паутина — залюбуешься.

— Заведем казенного паука, будет новое лаборатор­ное оборудование; использование пауков в технике — авторское свидетельство. Пусть завхоз ставит его на довольствие, как нашу серую Мурку...

Возникала атмосфера раскованности; шутка, игра помогали ломать жесткий стереотип привычной мысли. Нам тогда не грозила опасность впасть в бездумную болтовню. Всех будоражили, тонизировали каждоднев­ные сообщения о новых технических идеях, конструк­циях, полетах, об успешных действиях наших Илов, штурмовиков с кинжальными эрэсами (ракетными сна­рядами), наших реактивных «Катюш», явно превосходивших немецкие шестиствольные минометы, о наших новых типах пороховых ракет, которые иногда запуска­лись прямо с деревянной тарой («Русские бросаются са­раями!»— вопили фашисты).

В издававшемся тогда журнале «Британский союз­ник» появились эффективные чертежи-рисунки первых турбореактивных двигателей. Но старые опытные цаговцы предостерегающе качали головами:

— Не очень доверяйтесь, здесь поработало бюро искажений.

Мы всматривались в них квадрат за квадратом, как в загадочные картинки — «найти взломщика», но так и не находили. Позже, когда мы работали уже в дру­гом институте, появились первые трофейные немецкие ТРД и огромные, как нам тогда казалось, марсианско­го вида ФАУ-2...

Мы сбились с ног в поисках материалов для улав­ливания капель. Пробовались новые по тем временам пластики и полимеры, пористый пенопласт, желеобраз­ные среды (гели), смолы, различные пасты вплоть до гуталина, который был тогда дефицитом.

Пока же опыты ставились на модельной установке, капли распыленной воды улавливались в касторо­вое масло. Каждую пробу, приходилось утомительно и кропотливо обрабатывать под микроскопом. Способ годился для условного сопоставления форсунок по качеству распыливания, но не для измерения частиц реального топлива в камерах. Кто-то однажды пред­ложил:

— Хватит ловить капли, как мух на липкую бума­гу. Применим метод моментальной, искровой фото­графии.

Он уже тогда был достаточно усовершенствован. Время экспозиции, то есть вспышки искры, составляло 10-5—10-6 с. Экспериментатор, жаждавший остановить мчащуюся каплю, мог скомандовать: «Остановись, мгно­вение, ты прекрасно!» Метод позволил впоследствии многое разглядеть и понять в самом явлении распада, но для систематических измерений не пошел. Вступили в противоречие два главных требования — точность за­меров и массовость объектов. Для хороших измерений нужен увеличенный портрет капли. По законам опти­ки укрупнение масштабов изображения оплачивается уменьшением глубины резкости и сужением поля зре­ния. Из массы летящих капель объектив фотоаппарата выберет несколько резко сфокусированных, остальные получатся размытыми пятнами — не напасешься дефи­цитной мелкозернистой пленки.

Тут как раз и подоспело мое предложение использо­вать радугу. В литературе по метеорологической оптике я отыскал теорию радуги, ее создал известный английский астроном и физик Эри (1801—1892).

Про­стой принцип этой дивной архитектуры из солнечного света и капель совсем нетрудно понять. Наблюдатель видит радугу, стоя спиной к солнцу (рис. 6). Лучи солнца претерпевают в каплях полное внутреннее отражение и возвращаются обратно к зрителю под определенным углом. Это сопровождается дисперсией — капли «рабо­тают» как миниатюрные призмы, разлагая свет на цве­та исходного спектра, от красного до фиолетового. На рис. 6 одна из капель и ход лучей в ней показаны круп­ным планом.

Вследствие интерференции световых волн интенсивность возвращенного света имеет для каждого цвета ряд максимумов, которые соответствуют определенным углам наблюдения. Только эти максимумы и может ви­деть глаз, слабые лучи всех других направлений не дают зрительного восприятия. Но максимумы — от пер­вого к последующим — в каждом цветовом ряду резко слабеют, и различать вторые, третьи и т. д. глазу стано­вится трудно. Поэтому мы обычно видим одну арку, так называемую главную радугу — это сомкнутые по­лосы, соответствующие первым максимумам всех цветов; она всегда наблюдается под углом примерно 42°.

Изредка в очень чистом небе видна и вторая многоцвет­ная арка — от капель, где свет прошел двойное внут­реннее отражение.

Такая интерференционная картина обладает особен­ностью — стоящий в данном месте наблюдатель видит радугу только от определенной группы частиц. Глаз служит вершиной конуса с углом 42°, а все «избирае­мые глазом» капли дождя образуют круг в основании конуса.

Первым дал объяснение радуги знаменитый фран­цузский философ, математик, физик и физиолог Рене Декарт в 1631 году. Не зная еще явления дифракции, он имел терпение и трудолюбие построить чисто геоме­трически ход 10 000 лучей, прошедших через каплю. Обнаружилось, что только небольшая группа лучей под номерами от 8500 до 8600 выходит из капли компакт­ным пучком, давая примерно одинаковый угол откло­нения, порядка 42°, все остальные расходятся широ­ким веером, то есть рассеиваются.

Земной зритель не может видеть всю окружность, а только ее верхнюю часть. На самолете другие гео­метрические условия обзора: они позволяют объять глазом весь круг (одно из бесплатных преимуществ авиапассажира, которое Аэрофлот забыл указать в сво­их проспектах и рекламе).

Радуга принадлежит к «призракам, идущим за то­бой». Вы отходите — она перемещается за вами на дру­гой Слой капель, строго соблюдая постоянство угла зрения. Солнечные и лунные дорожки на воде «из той же компании»: помните, они тоже всегда следуют за вами; причины аналогичные — максимум интенсив­ности света, отраженного от ряби волн, соответствует определенному углу зрения.

Теория Эри мне очень понравилась. Все было так красиво и просто, а главное, подтвердилась моя надеж­да: теория давала нужную зависимость. Это была связь углового расстояния между соседними максимумами световых интенсивностей (для каждого цвета) и диа­метром капли. «Теперь ясно, как ставить опыт,— мне необходима монохроматическая (одноцветная) радуга».

Я работал все дни до 10 вечера, и в неделю мы со­брали простую оптическую установку в темной комнате на пятом этаже. Всем не терпелось проверить правиль­ность идеи. «Солнцем» служил межэлектродный про­межуток вольтовой дуги, помещенный в фокусе большо­го конденсора. Красный светофильтр (иных не на­шлось) отсекал все другие цвета, потому и требовался очень яркий источник. Под форсункой стояло устрой­ство с улавливателем капель в касторовое масло для контрольного измерения. Все было готово. Мы застыли в полной темноте и тишине ожидания. Сердце у меня колотилось, казалось, о стены комнатки — выйдет или не выйдет этот первый в жизни самостоятельный эксперимент?

— Давай давление воды... держи десять атмосфер, включай рубильник...

На бисерных нитях конуса распыливания небольшой центробежной форсунки повисли бледные, но ясно раз­личимые красные дуги комнатной радуги, разделенные темным промежутком, как и предписывала теория. Мне самодельная радуга показалась прекрасней многоцвет­ной, естественной.

Все были довольны — «момент истины», когда реаль­ность совпадает с предсказанием теории, доставляет какую-то детскую радость. Дескать, фокус удался, хотя вы читали о нем и знаете, как это делается. На другой день я вычислил диаметры капель по формуле радуги, через измеренное угловое расстояние между ее первым и вторым кольцом. Потом мы обработали пробу капель, уловленных в касторовое масло,— данные обоих изме­рений неплохо согласовывались.