Капля

му, чтобы давление, обусловленное изогнутой поверхностью жидкий свинец — воздух, было в точности равно тому давлению, которое обусловлено искривленностью поверх­ности жидкий свинец — твердое железо, т. е. дна ямки.

Равенство двух этих давлений означает, что ₁₀/R₁₀= ₁₂/R₁₂ . Итак, давления равны, а кривизна двух поверхностей различна, потому что различны соответствующие поверхностные энер­гии.

Взаимное расположение сил, действующих на контур капли, которая «удобно устроилась» на твердой поверхности

Выкопав под собой ямку, капля как бы перенеслась в невесомость — как и в невесомости, капиллярное давление оказалось одинаковым вдоль всей поверхности, огра­ничивающей каплю.

Естественно возникает вопрос: каким образом капля вы­копала ямку? Ответим на него. Вначале, когда капля была расположена на плоской поверхности железа, она прижи­малась к нему тем давлением, которое обусловлено искрив­ленностью поверхности свинец — воздух. Под влиянием этого давления железо из-под свинцовой капли перемещалось в области вокруг нее. Перемещалось в процессе диф­фузии поатомно, атом за атомом — опыт ставился при высокой температуре, когда диффузия в железе происхо­дит достаточно активно.

Надо подчеркнуть, что в описанном опыте капиллярное давление, которое обусловливает перемещение железа из-под свинцовой капли, существенно больше давления, обусловленного ее весом, так как капля свинца была очень «маленькая» в том смысле, в каком мы об этом гово­рили в очерке об опыте Плато.

Итак, в названии очерка все точно. Попав на твердую поверхность, капля действительно готовит себе удобную постель: либо изгибает подложку, если ей это удается, либо выкапывает для себя удобную ямку.

Раздавленная капля

Аналогия рождается на перекрестках памяти и раздумий и иногда связывает воедино образы и события, состоящие в очень дальнем родстве. Неожиданная аналогия, даже от­даленная или поверхностная, родившись вовремя, может помочь исследователю выйти из тупика и осветить путь к решению.

Когда-то, в конце 40-х годов, я участвовал в экспери­ментальной работе. Ее цель заключалась в определении физических характеристик вещества, которое ранее не исследовалось. Ранее этого вещества в чистом виде просто не было — ценой больших усилий его получили химики.

На первый взгляд задача совсем не новая, и решать ее следует, двигаясь путями, проторенными многими исследо­вателями, изучавшими физические характеристики других веществ. Наша задача, однако, была усложнена тем, что экспериментировать мы могли лишь с микроскопическими крупинками. Каждая крупинка весила около одной мил­лионной грамма, а размер ее — несколько десятков мик­рон. Количеством крупинок мы были очень ограничены — химики их добывали с трудом.

Группа, в которой я работал, должна была определить температуру плавления и поверхностное натяжение веще­ства в жидкой фазе.

 В обычном «макроскопическом» эксперименте температу­ра плавления измеряется легко и просто: в образец по­гружают термометр и следят за тем, как меняются его показания по мере нагрева образца. Температура посте­пенно возрастает. Когда она достигнет некоторого значе­ния, ее рост приостановится в связи с тем, что тепло, при­текающее к образцу, начнет расходоваться не на нагрев, а на процесс расплавления. Эта температура и является тем­пературой плавления. Когда же масса крупинки — одна миллионная грамма, термометр внедрить в нее невозмож­но и для определения температуры плавления следует ис­кать обходные пути.

Один из участников нашей группы, у которого за пле­чами были годы работы в литейном цехе, предложил совсем неожиданное решение задачи. Его память храни­ла воспоминание, родившее аналогию. В годы войны, ска­зал он, я вел плавку одновременно в нескольких одина­ковых тигельных электропечах. Загружал их алюмини­евыми чушками и, чтобы определить начало расплавления шихты в печи, не забираясь на ее загрузочную площадку, в каждую печь между чушками вертикально устанавливал длинный металлический стержень, который был виден над печью. В момент начала плавления стержень наклонялся — это служило сигналом.

Это воспоминание подсказало идею, с помощью которой можно было измерить температуру плавления крупинки. Опыт заключался в следующем. На тщательно отполиро­ванной пластинке кварца располагалась крупинка. Свер­ху ее накрывали другой пластинкой кварца, которая, ка­саясь крупинки, образовывала некоторый угол с первой пластинкой. Это устройство нагревали, и в тот момент, когда крупинка расплавлялась, верхняя пластинка раз­давливала образовавшуюся каплю и угол между пластин­ками скачкообразно уменьшался. Чтобы надежнее этот момент зарегистрировать, на внешнюю поверхность верх^ ней пластинки нанесли зеркальное покрытие и следили за тем, как отражаемый от нее луч скачком смещается. Пластинка, меняющая свое положение, была подобна ме­таллическому стержню, который наклонялся, свидетель­ствуя о начале процесса плавления. Так как масса кру­пинки пренебрежимо мала по сравнению с массой квар­цевых пластинок, между которыми она зажата, температу­ра крупинки равна температуре пластинок и, следова­тельно, измерить ее весьма просто.

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 может быть опре­делена из условия равенства давления, которое оказывает пластинка на жидкую каплю (Р_п), и лапласовского давле­ния (Р_л), которое обусловлено искривленностью ее свобод­ной поверхности. Если вес пластинки давит на каплю с силой F, а площадь ее контакта с расплющенной каплей R², то Р_п = F/R². Величина Р_л = /r = 2/h Приравнивая Р_п к Р_л, находим формулу, с помощью которой можно опреде­лить величину поверхностного натяжения вещества:

= F^.h/2R₂

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.