Капля

Профессор Френкель как-то писал о том, что хороший теоретик обычно рисует не точный портрет явления, а карикатуру на него. Это значит, что подобно карикату­ристу, он отбрасывает не очень существенные детали явления и оставляет лишь наиболее характерные его осо­бенности. Талантливый карикатурист нарисует несколько завитков на лбу, кончики пальцев, держащих сигару, узел галстука — и все уже знают, кого он изобразил. Перед физиком-теоретиком почти та же задача. Реальное явление, как правило, очень сложно и описать его абсо­лютно точно чаще всего просто немыслимо. И Френкель, великолепный теоретик, нарисовал «карикатуру» процес­са: вместо реальных крупинок произвольной формы он примыслил две сферические крупинки, вместо реального контакта по какой-то сложной поверхности — контакт в одной точке. И еще одно упрощение он вынужден был сде­лать: решил описать лишь начальную стадию процесса, когда на образование контактного перешейка между двумя каплями расходуется так мало вещества, что радиу­сы сливающихся капель можно считать практически не- изменившимися. Он считал, что на этой стадии слияние сферических капель происходит под действием сил, кото­рые приложены только к вогнутым участкам поверхности формирующегося перешейка, движутся только эти участки поверхности, а вся прочая поверхность сфер в процессе участия не принимает.

Теоретик сделал главное: предложил идею и определил условия, в которых проявляются наиболее существенные черты явления. После этого формула появилась без осо­бого труда. Оказалось, что площадь круга, по которому соприкасаются сферические капли, равномерно увеличи­вается со временем: время увеличилось вдвое и площадь — вдвое, время — втрое и площадь — втрое.

Неизвестно, заботился ли Френкель лишь об удобст­вах теоретика, определяя черты «карикатуры», или думал и об экспериментаторе, но модель сливающихся сфери­ческих капель была экспериментаторами охотно взята «на вооружение». Они припекали друг к другу маленькие стек­лянные бусинки, нагретые до высокой температуры. Под­черкнем слово «маленькие» — сферические бусинки имели диаметр не более долей миллиметра. С бусинками более крупными экспериментировать нельзя, так как они будут деформироваться под влиянием собственной тяжести, а этого модель Френкеля не предусматривает. Специально не подчеркивая этого, Френкель предполагал, что капли подвержены лишь силам, которые обусловлены наличием поверхностного натяжения, т. е. находятся в невесдмости.

Опыт ставился следующим образом: соприкасающиеся бусинки выдерживались при высокой температуре неко­торое время, затем охлаждались. На охлажденных бусинках измерялась ширина контактного перешейка, а потом все повторялось сначала: нагревались, выдержива­лись, охлаждались, измерялись. В каждом таком цикле добывалась одна экспериментальная точка. По 5—10 точ­кам строилась зависимость; квадрата ширины контакт­ного перешейка (эта величина пропорциональна площади контакта) от времени. Экспериментальные точки не сов­сем точно укладывались на прямую, но в общем, как и предсказывает формула Френкеля, прямая получалась.

Итак, как будто круг замкнулся. Экспериментатор подтвердил правоту теоретика, узнал в «карикатуре» истинную натуру. И все же, может быть, он увидел не все? Возможно, согласие теории и эксперимента иллю­зорно, оно .не точное, а, как говорят, «в общих чертах»? Теоретику, определившему задачу, те допущения, кото­рые он делает, решая ее, «карикатура» простительна, а от экспериментатора можно потребовать подлинную фо­тографию с деталями,. которые не обязательны в кари­катуре.

Опыты с микроскопическими бусинками — не лучшим образом поставленные опыты. Во-первых, бусинки малы, и поэтому некоторое изменение их формы в процессе вза­имного слияния обнаружить непросто. Во-вторых, они не абсолютно сферические. В-третьих, пусть не много, но сила тяжести все же искажает форму бусинок, размяг­ченных температурой. В-четвертых, 5—10 точек, рассе­янных вокруг прямой,— не стопроцентная гарантия вы­полнимости предсказаний теоретика.

Теперь уместно перейти к фильму о слиянии двух капель. Он назван «Слияние вязких сфер в невесомости». Чтобы избавиться от перечисленных упреков в неточно­сти, опыт, который должен был быть заснят на кино­пленку, мы поставили так.

Два одинаковых по весу бесформенных кусочка вязкого вещества, допустим смолы, следует поместить в жидкость, плотность которой в точности совпадает с плотностью смо­лы. Вскоре, если темпера­тура жидкости достаточна, бесформенные кусочки пре­вратятся в идеальные сферы, как это было в опыте Плато. В этом случае не следует бояться, что сила тяжести исказит форму сфер, посколь­ку они находятся в невесо­мости. Это дает эксперимента­тору возможность изучать не микроскопические бусин­ки, а крупные сферы. Снимая этот фильм, мы эксперимен­тировали со сферами диамет­ром 5 см. Разобщенные сферы . приводились в контакт, и все происходящее с ними снима­лось кинокамерой. Две пяти­сантиметровые сферы слива­лись в одну приблизительно за 1 мин. Так как скорость съемки 24 кадра в секунду, то весь процесс оказывался запечатленным на огромном количестве кадров — более тысячи. Для игрового фильма это число кадров ничтожно, а для экспериментатора 1000 кадров — это 1000 экспери­ментальных точек! По этим точкам можно построить на­дежную кривую, отражаю­щую зависимость изучаемой характеристики от времени.

Слияние капель эпоксидной смолы в невесомости

Наблюдая за слиянием сфер в невесомости с помощью кинокамеры, можно получить истинный «портрет» явления и оценить интуицию и зор­кость теоретика.

Кадры фильма свидетельствуют о том, что в основном Френкель был прав, но только в основном. Действитель­но, быстрее иных участков поверхности движется вогну­тая область контактного перешейка, но движется не толь­ко она. Оказывается, что, стремясь поскорее слиться, сферы меняют свою форму и рядом с перешейком. Поэто­му центры сфер сближаются быстрее, чем это следует из расчетов Френкеля. Поэтому и площадь контакта со временем изменяется по очень сложному закону, а закон, выведенный Френкелем, проглядывает сквозь последова­тельность огромного числа точек лишь как нечто усреднен­ное, справедливое приближенно. На киноленте, кроме того, были запечатлены и более далекие стадии слияния сферических капель, которые описать с помощью формул чрезвычайно трудно. Начинает перемещаться вещество во всем объеме сферы, в каждой точке с разной скоростью и в разных направлениях, и оказывается практически не­возможным усмотреть черты, пригодные для создания по­хожей «карикатуры».

Бот уже четверть века идея Френкеля определяет де­ятельность всех тех, кто занимается изучением процесса спекания. Кинокамера не отменила исследование 26-лет­ней давности, а лишь указала на детали, от которых ос­вободила сложное явление интуиция теоретика.

Статья Эйнштейна о лорде Кельвине

В конце 1924 года в немецком журнале «Naturwissen­schaften» появилась статья Эйнштейна «К столетию со дня рождения лорда Кельвина». Эйнштейн счел своим долгом почтить память лорда Кельвина-Томсона — вы­дающегося английского физика прошлого века. Статья начинается с характеристики Кельвина — «...один из наиболее сильных и плодотворных мыслителей XIX сто­летия...», «...основатель теоретической школы, из которой вышел гениальный теоретик нового времени К .Максвелл...», «...одаренный богатой фантазией, редким умением при­менять математический аппарат и проникновенным умом...», «.. .не многие ученые были столь же плодотворны». А затем — о конкретных заслугах и достижениях. «Наиболее су­щественный вклад Томсона в развитие физики — это ос­нование термодинамики...»; «В возрасте 23 лет он вводит одно из фундаментальнейших понятий современной физи­ки — абсолютную температуру...»; «Обилие результа­тов... в области учения о теплоте, гидродинамики, учения об электричестве, навигации, физической географии и из­мерительной техники...»

Схема опыта Кельвина, в котором с помощью капель получено высо­кое напряжение

В мемориальной статье Эйнштейн стремится принести дань глубокого уважения блестящему ученому и решает не писать о всей деятель­ности Кельвина, а показать четкость его исследователь­ской мысли на нескольких примерах, которые в свое время Эйнштейна особенно восхитили. Из множества ра­бот Кельвина он выбрал те, которые имеют касательство к каплям, вернее, из трех ра­бот Кельвина, особенно пора­зивших Эйнштейна, две ока­зались о каплях. О них и рассказ.

В первой работе предлагается идея генератора высокого напряжения, в котором главным работающим элементом являются капли. Вместо пересказа принципа работы гене­ратора я приведу цитату из статьи Эйнштейна.

«Из заземленной водонаполненной трубки [см. рисунок] вытекают две струи, которые внутри пустотелых изо­лированных металлических цилиндров С и С' разбиваются на капли. Эти капли падают в изолированные подставки А и А' со вставленными воронками. С соединен провод­ником с А', а С' с А. Если С заряжен положительно, то образующиеся внутри С капли заряжаются отрицательно и отдают свой заряд А , заряжая тем самым С' отрицатель­но. Из-за отрицательного заряда С' образующиеся внутри него водяные капли получают положительный заряд и разряжаются в А', увеличивая его положительный заряд. Заряды С , А' и С', А возрастают до тех пор, пока изоля­ция препятствует проскакиванию искры».

Идея Кельвина изумительна по простоте и очевидности, и мы в своей лаборатории решили воплотить ее в реаль­ных каплях и металлических бездонных цилиндрах и ста­канах. Все, что изображено на рисунке, мы разместили под стеклянным колпаком, оградив от различных внешних воздействий, а от цилиндров С и С' вывели из колпака проводники и присоединили их к двум одинаковым метал­лическим шарикам диаметром 1 см. Шарики укрепили на специальной подставке, и расстояние между ними сделали неизменным — 1 мм. Затем, открыв зажимы, дали возмож­ность каплям падать и начали наблюдать: подсчитывали число упавших капель и следили, когда между шарами проскочит искра.

В тот момент, когда проскочила искра, между шарика­ми была разность потенциалов 3000 вольт! Никто в наши дни не пользуется капельным методом, чтобы создавать высокие напряжения,— существуют способы помощнее... И все же нельзя не понять Эйнштейна, который был вос­хищен кельвиновской идеей.

В мемориальной статье Эйнштейн рассказал еще об одной идее Кельвина, имеющей прямое отношение к кап­ле. Кельвин заинтересовался следующим вопросом: как зависит давление пара жидкости вблизи поверхности от степени ее искривленности? Если рассуждать предметно, то речь идет о том, насколько отличается давление пара вблизи изогнутой поверхности водяной капли от давления пара вблизи плоской поверхности воды, налитой в широ­кое блюдце. В поисках ответа па этот вопрос Кельвин рассуждал так. Допустим, что в сосуд с жидкостью по­гружена тонкая трубка, внутренний радиус которой R . Если жидкость не смачивает материал, из которого сдела­на трубка, то ее уровень в трубке расположится ниже, чем в широком сосуде, в который налита жидкость. Произой­дет это по причине очевидной: в связи с тем что жидкость не смачивает стенок трубки, поверхность жидкости в ней будет выпуклой, полусферической, именно поэтому к жид­кости будет приложено давление, направленное внутрь, то самое лапласовское давление, с которым мы уже встре­чались, обсуждая опыт Плато. Под влиянием этого давле­ний уровень жидкости в трубке опустится ровно настолько, чтобы давление из- sa разности уровней жидкости в труб­ке и вне ее в точности равнялось лапласовскому. Его ве личину мы знаем: Р _л = 2 / R Разность уровней h обусловит давление Р = gh . Буквами обозначены следующие ве­личины: — поверхностное натяжение жидкости, — ее плотность, g — ускорение силы тяжести. Приравняв два эти давления, мы убедимся, что разница уровней h = 2/ gR .