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.

---

Эти лучи могут многократно отражаться от участков сферической поверхности капли, наполняя ее солнечным светом.

Поверхность капли изогнута и спокойна. На ней всегда найдется такой участок, который отразит солнечный луч в наш глаз. На отражающем участке поверхности, обра­щенной к солнцу, возникнет блик, подобный блику на солнечной дорожке. Блик будет устойчивым, так как фор­ма поверхности капли со временем не изменяется и отра­жающий участок оказывается недвижимым.

  

Блики на капле при различных положениях глаза наблюдателя относительно солнечного луча

Итак, блик, который на теневой стороне капли,— след­ствие преломления лучей, а второй блик на участке по­верхности капли, обращенной к солнцу,— следствие отражения солнечных лучей этой поверхностью. На первом сконцентрирована интенсивность почти всех лучей, упавши х на полусферическую поверхность, обращенную к солн­цу, а второй блик отражает лишь те лучи, которые упа­ли на малый участок поверхности капли. Поэтому первый блик ярче второго. Сказанное можно подтвердить про­стыми опытами, которые были поставлены в нашей лаборатории. Экспериментировали мы со специально приготовленной моделью капли. Сферическую стек­лянную колбу заполнили водой и таким образом стали об­ладателями сферической линзы — модели капли. Колбу осветили интенсивным параллельным пучком света — на ее поверхности загорелось два блика. Можно было сде­лать так, чтобы каждый из них светился вне зависимости от свечения другого. Блик, обусловленный отражением света, можно было убрать, приблизив палец к тому месту колбы, где блик светился. А тот блик, в котором собраны все лучи с поверхности освещаемой полусферы, можно бы­ло убрать, лишь полностью преградив путь лучам на эту поверхность. Если же оставался небольшой освещаемый участок этой поверхности — где-нибудь сбоку или посре­дине,— блик загорался.

И еще один факт. Яркий блик оставался неподвижным, с какого бы места мы па освещенную колбу ни смотрели, а другой смещался, если, глядя на колбу, двигаться во­круг нее. Причину этого легко понять, посмотрев на ход лучей, схематически изображенных на рисунке.

Предположение юного фотографа, что солнечный луч пронзил росинку, оказалось красивым поэтическим вы­мыслом. В действительности же все происходит в соответ­ствии с законами геометрической оптики. Впрочем, для естествоиспытателей они не менее красивы, чем поэти­ческий вымысел.

«Застывшие алмазы росы»

Еще в юности я прочел в одном из украинских стихотворе­ний такую строку: «Охололi алмази роси» — «Застывшие алмазы росы». И с тех пор она всплывает в памяти вся­кий раз, когда глаз останавливается на капле, застывшей на каменной глыбе или льдинкой повисшей на кончике хвойной иглы.

О «застывших алмазах» можно было бы книгу напи­сать. Но здесь речь пойдет лишь о том, что происходит с росинкой, застывшей на камне, и с камнем, на котором росинка застыла.

Итак — капля росы на поверхности камня.

Судьба водяной капли, кристаллизующейся на поверх­ности твердого тела, во многом определяется тем, что плот­ность воды больше плотности льда. Именно из-за этого различия плотностей лед, образовавшийся на поверхно­сти реки, не опускается на дно, и реки не промерзают на­сквозь. Именно поэтому деревянные бочки на морозе ло­паются под напором льда, который образуется при кри­сталлизации воды.

Представим себе на камне каплю росы, в которой долж­на начаться кристаллизация. Рассуждая схематически, разумно указать три места, где может появиться зародыш кристаллизации: на границе капля — камень, в объе­ме капли и на границе капля — воздух. Казалось бы, ес­тественнее всего появиться зародышу на границе капля — камень. Ведь именно вблизи этой границы капля нее,чем у «макушки», так как тепло из капли в объем камня отходит активнее, чем в воздух. Оказывается, од­нако, что на границе капля — камень кристаллизация начинается не всегда. Даже, точнее, так: редко, лишь в тех случаях, когда охлаждение происходит очень быстро. Причину этого выясним позже, а сейчас — о двух других возможностях появления зародыша. Легко понять, что эти возможности практически равнозначны, так как если зародыш и возникает в объеме капли, то он мгновенно всплывает к ее макушке, т. е. к границе капля — воздух. Такой зародыш разрастается, и при этом граница лед — вода будет двигаться по на­правлению к границе вода — камень, где зародыш «не пожелал» возникнуть. Если зародыш все же возник на границе между каплей и кам­нем, граница растущего кри­сталлика будет продвигаться к макушке капли. 

Реальность оказывается бо­гаче обедненной схемы. Кри­сталлизация капли в реаль­ных условиях происходит не только вследствие роста заро­дыша, которому паша схема предписывает появиться в одном из трех мест капли, но и вследствие образования тон­кой корочки— панциря. Его наличие, как оказывается, очень существенно влияет на конечную форму застывшей капли.

Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появился вблизи «макушки» капли. В увеличенном масштабе пока­зана конечная форма капли, на кото­рой виден выброс сбоку

Обратимся к фактам. В Институте кристаллографии АН СССР наблюдали поведение капель расплавленного метал­ла — германия на поверхности неметаллического кристал­ла—сапфира (это был побочный результат большой исследо­вательской работы). Подобно воде, плотность расплавленно­го германия больше, чем плотность закристаллизовавшего­ся, поэтому наблюдавшееся явление имеет прямое от­ношение к водяной капле.

 

Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появляется на границе между германиевой каплей и сапфировой под­ложкой. В увеличенном масштабе пока­зана закристаллизовавшаяся капля, имеющая коническую форму

В нашей лаборатории были поставлены опыты с систе­мой капля воды — кристалл соли; полученные результаты оказались совершенно подобны тем, которые следовали из опытов с системой капля германия — сапфир. В опы­тах по кристаллизации ка­пель на поверхности сапфира был тщательно прослежен процесс кристаллизации ка­пель в случаях, когда зародыш возникает на границе между каплей и сапфиром или на макушке капли. У обоих процессов проявилась одна общая черта. Оказывает­ся, что вблизи того уча­стка поверхности капли, где процесс кристаллизации завершается,— у макушки,если зародыш возник вблизи сап­фира, и вблизи сапфира, если зародыш возник у макушки, образуется выпуклость, нару­шающая естественную фор­му капли. Происхождение этой выпуклости легко по­нять.

Дело в том, что под закристаллизовавшимся тонким панцирем имеется еще не отвердевшая жидкость. Ее судьба подобна судьбе воды в бочке: кристаллизуясь, она увеличивает свой объем, и поэтому в наиболее тонком месте прорвет панцирь. Про­исходит сложный процесс: формируется панцирь, под ним кристаллизуется жидкость, форма панциря искажается, и в каком-то месте он может разломаться. Иной раз на этой завершающей стадии кристаллизации капли она ста­новится источником тоненькой фонтанирующей струй­ки, которая сквозь панцирь выдавливается кристалликом, растущим в объеме капли. Иногда возникает ветвистый фонтанчик, иногда тоненькая струя-иголочка, которая мгновенно замерзает.

Следовательно, правильным было утверждение, что ре­альность всегда богаче схемы: капля не просто из жидкой становится твердой, а меняет свою форму и о конце кри­сталлизации сообщает фонтанчиком.

Вернемся теперь к обсуждению причины, из-за которой зародыш неохотно возникает на границе между каплей и камнем. Дело здесь вот в чем. Образование ледяной короч­ки на границе с камнем должно сопровождаться деформа­цией и корочки и камня'. Удельный объем льда больше объема воды, и поэтому образующаяся ледяная корочка должна как бы рвать камень, а он, сопротивляясь этому насилию, будет сжимать корочку. Оба эти процесса свя­заны с деформацией и кристаллизующейся капли и камня. А это невыгодно, и поэтому естественнее, чтобы зародыш возник вдали от камня, где его появление не связано с возникновением дополнительной энергии. Лишь в край­нем случае, когда теплоотвод в камень велик и темпера­тура капли вблизи камня значительно ниже, чем у ма­кушки, зародыш может возникнуть на границе вода — камень.