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.

---

ЖИВЫЕ КАПЛИ

Столяру Джузеппе попалось под руку полено, которое пищало человеческим голосом.

Алексей Толстой

Капля живого серебра

На языке многих народов ртуть именуется живым сереб­ром, видимо, за блеск и за способность легко перекаты­ваться по твердой поверхности.

В этом очерке — рассказ об опыте, в котором «жи­вость» ртути самоочевидна. Этот опыт в нашей лаборато­рии проделывали много раз и наблюдали за ним и не­вооруженным глазом и с помощью кинокамеры. Ставится опыт так. В плоскодонной стеклянной кювете — капелька ртути и неподалеку от нее кристаллик двухромовокислого калия. Затем в кювету наливается такое количество сла­бого раствора соляной кислоты в воде, чтобы и капля и кристаллик были покрыты раствором. Надо позаботиться

о  том, чтобы дно кюветы было плоским и установлено горизонтально. На этом подготовка опыта закончена, те­перь следует только наблюдать, глядя на кювету сверху. Кристаллик начинает растворяться, образуя расширяю­щееся темное облако. Когда край этого облака касается ртутной капли, капля начинает энергично набрасываться на кристаллик. Именно энергично и именно набрасывать­ся, сдвигая кристалл с места, обволакивая его, неожидан­но отскакивая в сторону и затем снова набрасываясь. Во время этого процесса капля деформируется, приобретая причудливые формы. Если случайно капля оказывается окруженной равномерным облаком, она успокаивается и ее контур становится круглым. А затем, когда окруже­ние капли слегка изменится, все начинается снова.

Причину такой «живости» капли ртути можно понять, внимательно просмотрев отдельные кадры кинофильма, особенно те, на которых она запечатлена в непосредствен­ной близости от кристаллика. Оказывается, набрасываясь на кристаллик, капля приобретает такое очертание: на лобовой части ее поверхность выпукла, а на тыльной — вогнута. Эта форма создает впечатление, будто кто-то не­видимый с тыльной стороны толкает каплю по направле­нию к кристаллику, вминая ее поверхность.

Дело в том, что раствор, обогащенный молекулами двухромовокислого калия, понижает поверхностное натяжение ртути, и поэтому вдоль периметра капли оно становится неодинаковым, по­нижаясь на лобовой стороне. Это обстоятельство, вообще говоря, могло бы и не при­вести к движению ртутной капли по направлению к кри­сталлику.

Капля ртути, подталкивая кристаллик хромпика, бегает но кругу

Вполне разумными и грамотными являются та­кие рассуждения: поскольку в любой точке объема ртут­ной капли давление должно быть одинаковым, контур капли должен стать таким, чтобы лапласовское давле­ние, приложенное к любой точке поверхности капли рту­ти, было одним и тем же, т. е. чтобы на поверхности выполнялось следующее условие: Р≈ α / R — величина постоянная вдоль всей поверхности капли. Это означает, что там, где меньше α, мень­шим должно быть и R. 

Вблизи кристаллика капля двухро мовокислого калия должна приобрести грушевидную фор­му, узкой стороной обратившись к кристаллику. Такую форму приобрел бы резиновый шарик, если бы на одном из его участков резина была потоньше. В этом примере толщина резины пропорциональна величине поверхностного натяжения.

Изложенные соображения справедливы лишь в случае установившегося равновесия, т. е. когда выполняются два условия: первое — ртуть в капле перераспределилась так, что ее форма удовлетворяет условию постоянства лапласовского давления в любой точке поверхности, второе — химический состав среды, окружающей каплю, со временем не изменяется. В действительности, однако, в нашем опыте все далеко от равновесия. Капля не успевает «подстроить» свою форму к возникшему на ее поверхности распределению величины поверхностного натяжения, лапласовское давление, приложенное к тыльной части, ока­зывается большим, чем приложенное к лобовой. Разница этих давлений и есть тот «невидимый», который толкает каплю на кристаллик. Сложная пляска капли вокруг кристаллика отражает сложное и непостоянное во време­ни несоответствие истинной формы капли и образовавше­гося распределения поверхностного натяжения вдоль ее поверхности.

Мы попробовали обуздать каплю и поступили следую­щим образом. Из плексигласа изготовили кювету в форме замкнутого кругового канала. Расположили ее горизон­тально. В канал поместили каплю ртути, достаточно боль­шую для того, чтобы, расплющившись под влиянием силы тяжести, она коснулась стенок канала. Заполнили кольцевую кювету соляной кислотой и перед ртутной кап­лей положили кристаллик двухромовокислого калия. Капля набросилась на кристаллик и стала активно тол­кать его перед собой вдоль кольцевого канала. Зрелище оказалось захватывающим: возникает иллюзия движе­ния живого существа, оно жадно набрасывается на пищу и движется до тех пор, пока она не израсходована.

Кардиограмма ртутного сердца

Из множества особенностей и свойств истинного сердца ртутное обладает лишь одним — способностью пульсиро­вать, ритмически сокращаться и расширяться. Ртутному

Сердцу неведомы ни боль, ни перебои, ни волнение. Ли­шенное многих свойств истинного сердца, оно перед ним имеет безусловное, завидное преимущество — может оста­новиться, сколь угодно долго просуществовать бездейст­вуя, а затем снова ожить.

У нас в лаборатории, в шкафу, где хранятся химиче­ские реактивы, живет ртутное сердце. Конструкция его несложна: фарфоровая чашка с гладким вогнутым дном, на дне чашки — капля ртути, залитая толстым слоем слабого водного раствора соляной кислоты, в который положена крупинка соли двухромовокислого калия. Фар­форовая чашка прикрыта стеклянной пластинкой, в пла­стинке укреплена гайка с микрометрическим винтом, за­канчивающимся острой железной иголкой. Вращая винт, иголку можно опустить до соприкосновения ее острия с поверхностью ртутной капли, тогда сердце сразу же начинает работать, т. е. капля начинает периодически пульсировать.

Чтобы сердце работало надежно, игла должна коснуться капли либо в ее центре, либо в одной из точек на ее кон­туре.

Пульсации ртутного сердца — зрелище впечатляющее: на чистой поверхности капли возникают переливающиеся блики причудливой формы, и контур капли приобретает быстро меняющиеся очертания, которые повторяются в каждом очередном цикле пульсаций. Сердце работает без устали: мы оставляли его на час, на два, а однажды оставили на ночь и утром нашли пульсирующим.

Теперь о механизме пульсаций ртутного сердца — кап­ли ртути, которая непрерывно вздрагивает от соприкосно­вения с железной иглой.

Вначале о двух эффектах, с которыми необходимо ознакомиться, чтобы понять причину пульсаций ртутной капли. Первый эффект заключается в понижении поверхностной энергии металла, если на его поверхности имеется избы­точный электрический заряд. Проще всего это понять на примере жидкой металлической капли. Например, капли ртути. Пусть радиус капли Я. Если она не заряжена, ве­щество, находящееся в ее объеме, будет испытывать сжи­мающее давление Рл= 2α/R. Оно обусловлено искривлен­ностью поверхности и величиной поверхностной энергии. Допустим теперь, что по поверхности капли распределены заряды, величина которых q. Очевидно, носители этого заряда будут отталкиваться друг от друга с силой, вели­чина которой в соответствии с законом Кулона будет пропорциональна q2/R2. Эта сила обусловит растягивающее дав­ление. Его величину можно оценить, отнеся растягивающую силу к площади сечения капли S ~ R2. Растягивающее давление, как легко видеть, пропорционально величине Pq ~ q2/R4