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 соображения и оценки нам уже встречались

в очерке об опыте Рэлея — Френкеля. Они нужны были для того, чтобы понять причину разрыва капель в элект­рическом поле. Давление Рq вычитается из лапласовского. Это означает, что при неизменном объеме сферической капли, и следовательно при постоянном радиусе, наличие на ее поверхности электрического заряда приведет к пони­жению сжимающего давления, которое равно Рi=Рл — Pq = 2αi/R

Это обстоятельство может быть представлено как следствие понижения поверхностной энергии на ве­личину Δα = α — αi .

Из равенства, которое определяет Рi следует, что

Δα ≈ q2/R3 ≈ q2

Я не стремился к тому, чтобы расчет был точен,— важно иметь лишь основание утверждать, что величина пониже­ния поверхностной энергии не зависит от знака заряда, находящегося на поверхности. Порукой тому — квадра­тичная зависимость величины понижения поверхностной энергии от величины заряда.

Все это нам необходимо знать, так как капля ртути в ра­створе соляной кислоты, принимая участие в химической реакции, получает заряд, и поэтому поверхностное натя­жение на границе капля ртути — раствор понижается. Не будем подробно интересоваться процессами на этой границе, так как для нас неважен знак заряда, возникаю­щий на ней.

С помощью простого опыта легко убедиться в том, что в момент, когда железная игла соприкасается с поверх­ностью ртути, величина за­ряда на ней уменьшается, а вместе с ним уменьшается и то понижение поверхност­ной энергии, которое насту­пило, когда капля ртути бы­ла залита раствором соляной кислоты. Два последователь­ных отрицания равносильны одному утверждению: умень­шение понижения означает повышение. В момент прикос­новения железной иглы к по­верхности ртути ее поверх­ностное натяжение немного увеличивается. Следствием этого увеличения должно быть некоторое сжатие капли, которая на дне чашки под собственной тяжестью рас­плющилась, и частичное при­ближение ее формы к сфери­ческой. Это отчетливо наблю­дается, если в центре капли в ее тело погрузить металли­ческую иглу; капля вздрог­нет, и ее диаметр явно умень­шится. Мы проделывали этот опыт многократно на каплях различных размеров. Оказа­лось, что, чем меньше радиус расплюснутой капли, тем больше его относительное уменьшение, но уменьшение происходит всегда.

 

 Биение ртутного сердца. Железная игла касается контура капли

Вот теперь можно понять механизм пульсаций. Начнем со случая, когда железная игла касается ртути в точкена контуре капли. В момент соприкосновения иглы с по­верхностью ртути — сопри­косновения, а не внедрения!— ртутная капля уменьшает диаметр, и контакт между нею и иглой нарушается. После этого величина поверх­ностной энергии должна воз­вратиться к значению, кото­рое было до соприкосно­вения иглы с каплей, т. е. должна понизиться, и радиус ртутной капли возрастает. Это значит, что капля сопри­коснется с иглой и все нач­нется снова: сокращение кап­ли, нарушение контакта, рас­ширение капли, восстановле­ние контакта и т. д.

   

Биение ртутного сердца. Железная игла касается макушки капли

Интересен механизм воз­никновения пульсаций в том случае, когда игла прикаса­ется к поверхности ртути не на контуре капли, а в ее центре, в макушке. Казалось бы, наступающее при этом повышение поверхностного натяжения должно сопро­вождаться поднятием макуш­ки и образованием ненарушающегося контакта с иглой. Если контакт ненарушающийся — пульсаций быть не может. В действительности, однако, происходит иное. Макушка капли чуть напол­зает на иглу, а затем под дей­ствием силы тяжести отрыва­ется от нее. Этот первый им­пульс дает толчок колебаниям. Капля раскачивается, «серд­це» начинает пульсировать. 

Любопытная деталь: при переносе иглы с контура кап­ли на ее макушку частота пульсаций увеличивается. Это совершенно аналогично повышению частоты колебаний ги­тарной струны, если пальцем прижать ее к грифу посреди­не между точками закрепления. В случае капли — игла, а в случае струны — палец, создавая узел, уменьшают длину волны колебаний и, следовательно, повышают их частоту.

Необходимо подчеркнуть, что ртутное сердце отнюдь не вечный двигатель. Во время его работы расходуется энергия, выделяющаяся при химической реакции между ртутью, железом, соляной кислотой и двухромовокислым калием. В этой реакции расходуются исходные ком­поненты, и она прекратится, _ когда, скажем, будет съеден железный гвоздь. В «невечности» ртутного сердца можно легко убедиться, взяв вместо гвоздя тонкую проволочку. Скоро контакт между каплей и проволочкой перестанет воспроизводиться, так как кончик проволоки будет съеден. Чтобы «сердце» опять за­работало, надо проволочку придвинуть к капле: явно —  не вечный двигатель! 

Задумали мы снять кар­диограмму ртутного сердца. Много сведений из нее не из­ влечешь, разве только определишь количество пульсаций в секунду, а их можно просто посчитать, наблюдая за кап­лей, или для верности воспользоваться кадрами кинофиль­ма. И все-таки снять кардиограмму любопытно. У нашего лабораторного «сердца» диаметр капли ртути 4 см, игла касается его контура, и пульсирует оно с частотой 120 ударов в минуту.

Вначале решили воспользоваться работающим сердцем как прерывателем электрической цепи, регистрируя мо­менты включения и выключения с помощью самопишущего прибора. От этой мысли, однако, отказались, так как любое электрическое вмешательство в ртутное сердце неизбежно исказит его пульсации. Поступили по-иному. Тоненький луч света направили на зеркальную поверх­ность пульсирующей капли, а отраженный от нее мечу­щийся луч подавал сигнал на самописец, который и записал кардиограмму. На кардиограмме видна последовательность чередующихся максимумов и минимумов, четких, строгих, периодических, без перебоев, на зависть иному человеческому сердцу.

Капля, движущаяся в кристалле

Как капля жидкости могла оказаться внутри твердого кристалла? С ответа на этот вопрос и начнем очерк.

Начнем издалека, с момента зарождения кристалла. Представим себе, что будущий кристалл — пусть для оп­ределенности это будет кристалл какой-нибудь соли — должен зародиться и вырасти из ее водного раствора вследствие выпадения избыточной соли. Скажем, темпе­ратура раствора понизилась - и некоторое количество соли оказалось избыточным. Оно и является строительным ма­териалом для кристалла. Вначале появится микроскопи­ческий кристаллик — зародыш, а затем он будет подрас­тать по мере осаждения на нем атомов соли из раствора. В реальных условиях роста, где-то в земных недрах, обстоятельства могут сложиться так, что растущий кри­сталл случайно захватит в свой объем капельку мате­ринского раствора. Захватит и будет продолжать расти. И через некоторое время эта капелька окажется в объеме кристалла, вдали от поверхности: ведь любая точка в объе­ме кристалла некогда была на его поверхности.

Все может произойти и по иному механизму. Допу­стим, что кристалл будет расти в процессе замерзания раствора. Удобнее всего в качестве примера иметь в виду соленую морскую воду, которая с наступлением морозов превратится в кристаллы льда. Концентрация соли во льду в соответствии с законами физики немного ниже, чем в воде. Это значит, что, вырастая, кристаллы льда бу­дут оттеснять соль в воду. И еще из законов физики сле­дует, что, чем больше концентрация соли в воде, тем при более низкой температуре она кристаллизуется. Эти два следствия физических законов оправдывают существова­ние в кристаллах льда жидких капель раствора соли в воде: обогащенная солью вода кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура льда, в котором находится жидкое включение. А попасть в объем кристал­ла льда соленые капли могли так же, как и в предыдущем примере: растущий кристалл их мог случайно захватить.