Яков Гегузин - Капля

• Название: Капля
• Автор: Яков Гегузин
• Издательство: «НАУКА»
• Жанр: Физика
• Год: 1973

Книга состоит из отдельных очерков о физиче­ских законах, управляющих поведением капли, об ученых, которым капля помогла решить ряд сложных и важных задач в различных областях науки.

Книга иллюстрирована кадрами скоростной ки­носъемки и будет интересна самому широкому кругу читателей.

---

В описанном опыте, вопреки известной пословице, нам удалось убить двух зайцев: определить, во-первых, тем­пературу плавления и, во-вторых, величину поверхност­ного натяжения расплавленного вещества. Дело в том, что верхняя пластинка, раздавливая своей тяжестью кап­лю, превращала ее в лепешку определенной толщины. Сколько раз ни повторялся бы опыт по расплавлению од­ной и той же крупинки, образовывавшаяся жидкая капля весом пластинки расплющивалась до одной и той же тол­щины к . Эту величину можно было уменьшить, увеличивая вес верхней пластинки. Легко понять, что дальнейшему

расплющиванию препятствуют силы поверхностного на­тяжения, приложенные к той части поверхности расплю­щенной капли, которая граничит с воздухом. В наших опытах вещество капли практически не смачивало кварц (именно поэтому опыты и ставились с кварцевыми пластин­ками) и, следовательно, можно считать, что радиус за­кругления свободной поверхности r= h/2

Величина поверхностного натяжения α может быть опре­делена из условия равенства давления, которое оказывает пластинка на жидкую каплю (Рп), и лапласовского давле­ния (Рл), которое обусловлено искривленностью ее свобод­ной поверхности. Если вес пластинки давит на каплю с силой F, а площадь ее контакта с расплющенной каплей πR2, то Рп = F/πR2. Величина Рл = α/r  = 2α/h      Приравнивая Рп к Рл, находим формулу, с помощью которой можно опреде­лить величину поверхностного натяжения вещества:

            α = F.h/2πR2

Величины h и R можно измерить с большой точностью, а силу легко определить, зная вес верхней пластинки.

Способ решения стоящей перед нами задачи, который подсказала возникшая вдруг аналогия, конечно же, был не единственно возможным. Видимо, можно было приду­мать и иные приемы, но нас привлекла в нем неожидан­ность аналогии и возможность опровергнуть пословицу о двух зайцах.

ПЕРВАЯ КАПЛЯ ТАЛОЙ ВОДЫ

Что там творится в мире заоконном?

Зима в исходе, видно по всему.

Давайте вместе слушать, как со звоном

Летит сосулька из зимы в весну.

Александр Межиров

Капля, осушенная иглой

Расскажу об одном очень простом опыте, который когда- то в нашей лаборатории был поставлен и заснят на кино­пленку. «Героем» фильма, естественно, была капля.

Начну с предыстории, с «общих соображений». Во мно­гих учебниках физики утверждается, что жидкость сма­чивает твердое тело того же вещества: жидкая медь — твер­дую медь, вода — лед. Это означает, что если бы, например, на поверхности твердой меди поместить каплю жидкой меди, она должна была бы растечься по ней тонким слоем. Утверждается, что это веществу «выгодно», поскольку при этом его поверхностная энергия уменьшается, т. е. что поверхностная энергия твердой меди на границе с парами меди больше, чем сумма энергий на границе твердая медь — жидкая медь и жидкая медь — пары меди. Разумеет­ся, медь — это лишь пример. Имеется в виду, что утверж­дение справедливо применительно ко многим веществам.

Если авторы учебников физики не заблуждаются, то смачивание твердого тела жидким должно проявлять себя во многих явлениях. Ведь это означает выгодность наличия жидкой пленки на поверхности твердого тела. Чуть курьезно об этом можно сказать так: твердым те­лам выгодно быть мокрыми. Но окружающие нас твердые предметы сухи, если, разумеется, мы их специально не смочим. Впрочем, и смочить их не просто, так как смачи­вать надо жидкостью того же вещества, что и твердое тело, а такая жидкая пленка на твердом теле быстро кристал­лизуется и, присоединившись к нему, становится твердой.

Впрочем, быть может, авторы учебников не заблуж­даются и существуют условия, при которых потребность твердых тел быть мокрыми удовлетворяется. Ведь жидкая пленка на твердой поверхности — это как бы палка о двух концах. С одной стороны, пленка выгодна, так как с ее присутствием связано уменьшение поверхностной энергии,— об этом уже говорилось. С другой стороны, плен­ка невыгодна — с ней связана избыточная «объемная» энергия: если пленка закристаллизуется, выделится энер­гия, и тем большая, чем дальше отстоит температура, при которой находится твердое тело, от температуры его плавления. Если дело обстоит так, то, быть может, авторы учебников все же правы и их правота не противоречит нашему жизненному опыту, протестующему против того, что якобы все твердые тела должны быть мокрыми. Быть может, твердые тела станут мокрыми, когда их температура непосредственно приблизится к температуре плавления, когда проигрыш «объемной» энергии будет меньшим, чем выигрыш «поверхностной». Ведь процессы, которые в природе происходят самопроизвольно, всегда движимы стремлением к уменьшению энергии. Скажем так: камень сам в гору не покатится, а вот с горы — при первой воз­можности.

В первые послевоенные годы в одном из томов «Докладов АН СССР» было опубликовано описание интересного опы­та, который поставили В. И. Данилов и Д. С. Каменецкая. Опыт заключался в следующем. Маленький шарик ме­таллического натрия, состоящий из нескольких кристал­ликов, медленно нагревался в ультратермостате, где тем­пература поддерживалась и регулировалась с большой точ­ностью, кажется, не меньшей пяти тысячных градуса. Гра­ницы между отдельными зернами на поверхности шарика очерчивались канавками. Они образовывали узор, по­добный тому, который образуют швы на покрышке фут­больного мяча. Канавки на шарике сохранялись при всех температурах, однако, когда до температуры плавления оставалось менее одной сотой градуса, они исчезли и вся поверхность шарика, ранее бывшая матовой, как бы покрывалась глазурью. Когда шарик натрия немного охлаждался, канавки снова появлялись, а затем повтор­ным нагревом можно было заставить их исчезнуть, а по­верхность покрыться глазурью. Это наблюдение очень .естественно объясняется «общими соображениями»: жид­кость смачивает собственное твердое тело, и поэтому вбли­зи температуры плавления твердое тело должно покрыться жидкой пленкой — это она сглаживает канавки и придает поверхности блеск глазури.

Авторы опыта с шариком натрия изучали не причины и закономерности появления и исчезновения канавок на его поверхности. Это наблюдение — побочный результат опы­та, и поэтому они специально не стремились убедиться в том, что вблизи температуры плавления натрий запотевает, покрывается тонким жидким слоем.

Опыт, о котором рассказано, очень красив, но его ре­зультат лишь косвенно свидетельствует о правильно­сти утверждения, что жидкость смачивает твердое тело того же вещества. Если жидкая пленка появляется — ка­навки должны исчезнуть, но не исключено, что они исче­зают по каким-либо иным причинам, а причин может быть множество.

Здесь можно оставить предысторию и «общие соображе­ния» и перейти к опыту, о котором говорилось в начале очерка. Мы пытались придумать прямой опыт, результат которого, не допуская кривотолков, убедил бы нас в том, что твердое тело с готовностью покроется жидкостью того же вещества, если такая возможность будет ему предостав­лена. Вспомнили о ментоле — веществе, расплав которого очень легко переохлаждается. Кристаллики ментола пла­вятся при 35° С, но и при комнатной температуре ментол может оставаться жидким.

Опыт заключался в следующем. На стеклянной пластин­ке поместили маленький кристалл ментола, подогрели его, расплавили, и он превратился в жидкую каплю. Менто­ловая капля немного растеклась по стеклу и приняла форму плоской лепешки. Затем взяли ментоловую иголоч­ку — продолговатый кристаллик ментола, сечение кото­рого было много меньше площади капли,— и опустили ее в ментоловую переохлажденную жидкую каплю.