Так во время полета изменяется форма крупной капли, падающей в воздухе
Теперь о больших каплях. Речь идет о каплях крупных, размер которых достигает нескольких миллиметров. Такие капли иногда образуются в искусственных условиях, например при распаде струй, а иногда и в условиях естественного дождя. С ними происходит вот что.
Большая капля, встречая при падении сопротивление воздуха, расплющивается (Рυ >>Рл !!!). Плоская водяная лепешка, летящая в воздухе, надувается им и становится подобна парашюту. По мере того как этот миниатюрный водяной парашютик раздувается воздухом, образующая его пленка становится все тоньше и в конце концов рвется, прокалывается воздушной струей. И тогда она распадается на мелкие капли, у которых уже своя судьба.
В американском «Журнале прикладной физики» (J. Аррl. Рhis., 1956, V. 27, N 10) Мегарвей и Тейлор опубликовали великолепную подборку фотографий летящих больших капель. Каждая фотография была сделана в момент мгновенной вспышки яркого света. Они отлично иллюстрируют рассказанное.
Если разрушение большой капли произошло в дождевом потоке, некоторые из образовавшихся маленьких капель испарятся, не долетев до земли, а иные сами, или слившись с себе подобными, одолеют этот путь. А быть может, некоторые из мелких капель, возникших при разрушении капли-парашюта, столкнутся с другими каплями, сольются с ними и примут участие в сотворении нового парашютика. Так тоже бывает.
Это случалось видеть всем во время дождя, который застал вас у реки, или еще лучше в реке во время купания, или просто когда дождевые капли стучат по лужам: поверхность воды начинает волноваться и возникают брызги. Точнее проследить трудно — все происходит с такой скоростью, что глаз не успевает заметить и запомнить детали. Поэтому и видится момент падения водяной капли на поверхность воды различным людям по-разному.
Зорче иных обязаны видеть художники, пишущие кистью или пером. И у каждого художника особая, ему свойственная острота взгляда.
Поэт Леонид Темин о дожде, о падении дождевой капли, пишет так:
...Дождя косые линии
Весь мир перечеркнули,
И водяные лилии
По лужам вверх взметнули...
А поэт Дмитрий Кедрин в стихотворении «Приглашение на дачу» это же событие описывает совершенно по-другому:
...Итак, приезжайте к нам завтра, не позже,
У нас васильки собирай хоть охапкой,
Вчера здесь прошел замечательный дождик —
Серебряный гвоздик с алмазною шляпкой...
Оба поэта смотрели на одно и то же: как падает дождевая капля на поверхность лужицы. Но одному при этом представлялась лилия, а другому — гвоздик c алмазною шляпкой.
Что общего между острым гвоздем, даже тем, у которого шляпка из алмаза, и лилией, плавающей на поверхности воды? Лилия могла бы напомнить широкополую шляпу или красочный зонтик, но гвоздь! Между тем многим писателям и поэтам виделся именно гвоздик во время дождя над рекой. Помните, у Некрасова:
...Светлые, словно из стали,
Тысячью мелких гвоздей
Шляпками вниз поскакали...,
а через много лет у Бунина:
...Вот капля, как шляпка гвоздя,
упала, и сотнями игл
затоны прудов бороздя,
сверкающий ливень запрыгал...
Вот, например, как много интересного увидел во время дождя на реке один из самых тонких наблюдателей природы писатель Константин Паустовский: «...особенно хорош спорый дождь на реке. Каждая капля выбивает в воде круглое углубление, маленькую водяную чашу, подскакивает, снова падает и несколько мгновений, прежде чем исчезнуть, еще видна на дне этой водяной чаши. Капля блестит и похожа на жемчуг...»
Много неожиданных и совершенно различных образов вызвала дождинка, падающая на поверхность воды: и гвоздик, и лилия, и блестящая жемчужина.
В действительности, если падение капли на воду наблюдать с помощью скоростной кинокамеры — прибора более бесстрастного, чем глаз художниками обладающего большей «разрешающей способностью», все происходит так, как это изображено на приводимой кинограмме. Эта кинограмма была снята со скоростью две тысячи кадров в секунду. Оказывается, что действительно сразу после падения капли на поверхность воды возникает симметричный водяной цветок — водяная лилия. Вскоре цветок увядает и лишается своих лепестков, а затем в центре опавшей лилии вырастает водяной столбик, вершина которого имеет форму сферической капли,— «серебряный гвоздик с алмазною шляпкой».
Кинограмма, смонтированная из кадров скоростного фильма о падении водяной капли на поверхность воды
На поверхности капли бегают блики, и капля действительно напоминает жемчужину, увиденную Паустовским. Затем столбик погружается в воду, образует воронку, из которой опять вырастает столбик, только уже потоньше первого, и перед тем как погрузиться в воду, он разбивается на множество мелких капель. Воронка и гвоздик чередуются несколько раз.
Правыми оказались и Темин, и Кедрин, и Паустовский, так по-разному увидевшие падение дождевой капли на поверхность лужицы. Примечательно, что каждый из них увидел и художественно осмыслил различные последовательные стадии процесса: Темин — начальную, Кедрин — промежуточную, Паустовский — заключительную.
Как же объяснить все то, что запечатлела кинокамера? Представим себе, что на натянутую резиновую мембрану с некоторой высоты падает металлический шарик, щедро смазанный клеем. После того, как он достигнет поверхности мембраны, произойдет следующее. Мембрана под влиянием ударившегося о ее поверхность шарика прогнется, затем, дополнительно натянувшись при прогибе, она начнет выравниваться, подбрасывая шарик кверху, сообщив ему при этом часть той энергии, которую мембрана получила от шарика, упавшего на нее. Так как шарик, соприкоснувшись с мембраной, приклеился к ней, взлетая вверх, он потянет за собой и мембрану; при этом образуется тянущийся за шариком полый резиновый стержень. А затем шарик начнет двигаться вниз, и все повторится снова.
При падении капли на поверхность воды происходит нечто подобное, однако многие детали процесса моделью шарик — мембрана не описываются. Падающий шарик создает в мембране просто углубление, а дождинка кроме углубления создает также множество мелких капель-осколков; симметрично разлетающихся в разные стороны. Именно это и заметил Темин, которому совокупность брызг представилась водяной лилией. А следующий за брызгами всплеск воды, подобный полому резиновому стержню, тянущемуся за железным шариком, Кедрину представился серебряным гвоздиком с алмазною шляпкой. В модели шарик — мембрана деталь, увиденная Паустовским, отсутствует. Высокий и тонкий водяной стержень завершается каплей или несколькими каплями по той же причине, по которой тонкая водяная нитка, от которой отрывается крупная капля, разбивается на множество маленьких капель — сателлитов. Цилиндрическая форма жидкости невыгодна или, лучше так,— менее выгодна, чем сферическая, и поэтому цилиндр распадается па капли; самую крупную из них Паустовский заметил в тот момент, когда она погружалась в возникавшую под ней водяную чашу. Эта капля и напомнила Паустовскому блестящую жемчужину.
Высота гвоздика, время, необходимое, чтобы он возник и опал, определяются не только тем, какого размера была дождинка и с какой высоты она упала, но и тем, каковы физические свойства воды — ее вязкость и поверхностная энергия. Кинокадры свидетельствуют о том, что «гвоздик», высота которого около пяти сантиметров, вырастает и опадает приблизительно за сотую долю секунды. Приблизительно эта величина и получится, если вязкость воды разделить на ее поверхностную энергию и умножить на высоту гвоздика,— именно так надо поступать, чтобы вычислить интересующее нас время.
