Капля

Фильм о дожде над рекой снимался так. В прозрачную кювету наливали глицерин. На его поверхность из пипет­ки падали отдельные глицериновые капли. Скоростная кинокамера была так ориентирована, чтобы можно было заснять момент приближения капли к поверхности глице­рина, ее падение на поверхность и процессы, которые про­исходят от момента падения капли на поверхность до пол­ного успокоения поверхности.

В полете глицериновая капля себя ведет спокойнее во­дяной. При размере приблизительно 1—2 мм она имеет форму почти сферическую, практически не меняющуюся во время полета. В момент падения на поверхность глице­рина капля возмущает ее, подобно тому как водяная капля возмущает поверхность воды. Под каплей образуется ча­ша или, точнее говоря, коническое углубление. Вокруг чаши возникает берег в виде выпуклости, обрамляющей 

чашу. Эта чаша, однако, ли­лию не напоминает, так как она не обрамлена всплеска­ми — лепестками. В следую­щий момент берег начинает опадать, а чаша плавно сгла­живается. И все. Никакой лилии, никакого серебряного гвоздика, никакой алмазной шляпки — ничего, что наблю­дается при падении водяной капли на водную гладь.

 

Падение глицериновой капли на по­верхность глицерина

Теперь о фильме, в кото­ром заснята глицериновая капель. Глицериновую со­ сульку мы не готовили, а по­ступили проще — с помощью кинокамеры наблюдали за образованием капель на кон­чике пипетки, из которой ка­пал глицерин. Вначале все происходит так же, как и с водой: медленно набухала крупная капля, вытягивалась перемычка, набухшая капля отрывалась и летела вниз. А затем все происходило не так, как в случае с водой. На оставшейся цилиндриче­ской перемычке возникают перетяжки, однако они не смыкаются. Отчетливо видна тенденция к распаду цилинд­рической перемычки на от­дельные капли-сателлиты, но что-то этому препятствует, и перемычка медленно втяги­вается в пипетку.

В чем же причина отличия глицериновых дождей и ка

пелей от водяных? Ответ, ви­димо, следует искать в том, чем отличаются эти две жид­кости друг от друга. Их по­верхностные энергии различ­ны, но близки, а вязкости отличаются существенно: при Т=20°С вязкость глицерина более чем в

100

раз превос­ходит вязкость воды.

 

Глицериновая капля, отрывающаяся от пипетки

Вначале попытаемся по­нять, почему на поверхности глицерина упавшая капля не вызывает всплеска, как это наблюдается на воде. Здесь удобно обратиться к образу колеблющегося маятника, че­чевица которого погружена в жидкость — вначале в воду, а затем в глицерин. Аналогия с маятником вполне законна. Капля, упавшая на поверх­ность жидкости, прогибает ее, выводит из равновесия. Такое состояние поверхности жидкости подобно состоянию маятника, который отклонен от вертикали. Пусть в этом положении и чечевица маят­ника и поверхность жидкости предоставлены самим себе. Если чечевица погружена в жидкость малой вязкости, маятник совершает несколько колебаний около вертикали. Амплитуда этих колебаний будет уменьшаться, и вскоре маятник остановится. 

 

Коле­баний будет тем меньше, чем больше вязкость жидкости, в которой движется чечевица, так как ее движение сопро­вождается потерей части энергии на преодоление вязкого сопротивления жидкости. В случае очень вязкой жидко­сти маятник будет медленно приближаться к вертикали и, подойдя к ней, остановится.

В нашей аналогии поверхность жидкости подобна чече­вице маятника. Если жидкость обладает малой вязкостью, ее возмущенная поверхность, прежде чем успокоиться, совершит несколько колебаний около горизонта. Именно это мы и наблюдали в опытах с водой, когда воронка и гвоздик чередовались 2—3 раза. А воронка, возникшая под давлением упавшей капли, в вязком глицерине медлен­но сглаживается, и поверхность, приблизившись к гори­зонтали, успокаивается. Запасенной энергии хватает лишь на преодоление сопротивления вязкого глицерина.

В случае глицериновых капелей цилиндрическая пере­мычка с наметившимися перетяжками, остающаяся после отрыва капли, не разбивается на капельки-сателлиты по этой же причине — из-за большой вязкости глицерина.

Значит, у поэтов глицеринового мира дождь на реке не смог бы вызвать образ водяной лилии или сереб­ряного гвоздика с алмазной шляпкой. Вот что было бы, если бы...

Опыт Рэлея—Френкеля

Сущность опыта заключается в наблюдении за поведением струи жидкости в электрическом токе. Со струей происхо­дит много любопытных явлений; она разбивается на кап­ли, затем капли сливаются, а в иных условиях разлета­ются серебристым веером во все стороны. Но вначале не­ много об истории опыта.

В 1879 г. английский физик Рэлей, второй директор зна­менитой Кавендишской лаборатории, заметил, что струя водяного фонтанчика, помещенная в электрическое поле, параллельное струе, менее охотно дробится на капли, чем в отсутствие поля. Он описал это явление, но подробно ис­ следовать не стал. Вслед за ним многие повторили опыт, заметив при этом, что Рэлей увидел не все. Струя в поле действительно менее охотно дробится на капли, однако, если поле увеличить, можно добиться эффекта диамет­рально противоположного — дробление становится бо

лее активным, на конце струи возникает множество мелких капель.

 

Капля на конце струи, колеблющаяся в электрическом поле

Через 70 лет, в 1949 г., опыт Рэлея повторил Я. И. Френкель со своими со­ трудниками. Повторил с раз­личными жидкостями, меняя величину поля, напор струи. Он высказал некоторые сооб­ражения о причинах наблю­даемых явлений, затем экспериментально проверил спра­ ведливость догадок и предло­жил приближенную теорию, которая удовлетворительно объяснила факты. Вот, по­жалуй, и вся история. Мы в лаборатории повторили опы­ты Френкеля и сняли об этом кинофильм, из которого здесь приведены две кинограммы.

Готовясь к опыту, собрали простое устройство: на высо­кой подставке располагался сосуд с водой, с ним была сое­динена резиновая трубка, ко­торая оканчивалась стеклян­ным оттянутым наконечни­ком. Из наконечника верти­кально била струя воды, про­ходя через отверстие в алю­миниевом диске, параллель­но которому на расстоянии около полуметра располагал­ся второй алюминиевый диск; гибкими проволочками диски соединялись с источником на­пряжения. Кроме того, к алю

миниевым дискам подключали измеритель напряжения. В качестве источника использовали электростатическую машину (какая есть в любом школьном кабинете физики).

Опыт ставился так. Включалась струя. Ее напор регулировался таким образом, чтобы вершина струи не дости­гала верхнего диска. Начинали вращать ручку электростатической машины, следили за показаниями вольтмет­ра и кинокамерой снимали все то, что происходило со струей в электрическом поле.

Первая кинограмма. На приводимых кадрах последова­тельно отражено