Поскольку процессы, которые происходят вслед за падением дождинки на воду, зависят от вязкости и поверхностного натяжения воды, видимо, они должны выглядеть по-иному, если дождинка и лужа будут не водяными, а, скажем, глицериновыми. У глицерина вязкость значительно больше, и это, наверное, скажется и на лилии, и на гвоздике, и на жемчужине. Но об этом — в другом очерке,
Я совсем не хочу, чтобы рассказанное здесь было воспринято как предложение пользоваться скоростной кинокамерой или иным физическим прибором для исследования достоверности поэтических образов или в качестве арбитра в затянувшемся споре между «физиками» и «лириками». Просто воспользовался стихами и скоростной кинокамерой, чтобы рассказать о явлении, на которое все смотрели и все видели по-разному.
В английском журнале «Физика и химия поверхности» была помещена подборка фотографий, изображающих последовательность форм, которые принимает очень тонкая коническая вольфрамовая игла, если в течение длительного времени ее выдерживать при высокой температуре.
Оказывается, что со временем на кончике иглы формируются шарики — капли.
В нашей лаборатории были получены очень похожие фотографии, но иглы, с которыми мы экспериментировали, были не из вольфрама, и вообще не из металла, а из воды. О них рассказано в очерке «Капля падает на жидкость».
Иглы вольфрама, распадающиеся на капли, очень напоминают водяные иглы
Я сравнил фотографии и поразился общности явления в жидких иглах воды и в кристаллических иглах вольфрама — самого тугоплавкого из всех металлов. Получилось очень убедительное доказательство справедливости физической идеи, согласно которой кристаллические тела, подобно жидким, могут вязко течь. То, что вязкость кристаллов несравненно более высока, чем вязкость жидкости,— обстоятельство важное, но в принципе существо дела оно не должно менять. Важно, что и кристалл и жидкость могут вязко течь и подобные по форме тела должны деформироваться, подчиняясь общим законам. Эта идея в физику вошла прочно; она, например, лежит в основе физической теории спекания кристаллических порошков, согласно которой кристаллические крупинки «сливаются», подобно капелькам жидкости.
Описано много опытов, в которых исследовалось вязкое течение кристаллов. Ученые растягивали кристаллические нити, гнули кристаллические пластинки и всякий раз убеждались в том, что при высоких температурах и под влиянием малых нагрузок кристаллы текут, подчиняясь тем же законам, что и жидкости.
А распадающиеся на капли водяные иглы очень напоминают вольфрамовые
И все же нельзя не удивиться, сопоставив фотографии вольфрамовых и водяных игл, настолько убедительно это сопоставление свидетельствует о «текучести» кристаллического тела: научный доклад в аудитории специалистов, посвященный изложению экспериментального доказательства справедливости идеи о принципиальной возможности вязкого течения кристаллов, можно было бы свести к жесту
указкой в сторону этих фотографий и к краткому рассказу об условиях, в которых они были получены.
Специально заточенные вольфрамовые иглы, которые вблизи вершины имели диаметр около 0,1 микрона, в течение нескольких часов выдерживались в электронном микроскопе при температуре 2600° С, и с помощью этого же микроскопа их профиль периодически фотографировался.
Водяные иглы возникали самопроизвольно после падения капли на поверхность воды. Диаметр такой иглы равен нескольким миллиметрам. Деформировалась она быстро, за время около сотой секунды, и поэтому различные стадии процесса снимались скоростной кинокамерой. Огромное различие в вязкости воды и вольфрама и проявляется в том, что распад соответствующих игл на капли происходит при резко отличных условиях: диаметр водяной иглы — миллиметры, время распада — сотая секунды при температуре 20° С; диаметр вольфрамовой иглы — десятая микрона, время распада — часы при температуре 2600° С.
Фотографии рассказывают об одном и том же; о том, что и вольфрамовая и водяная иглы со временем изменяют свою форму так, чтобы их поверхность уменьшалась и вместе с ней уменьшалась поверхностная энергия. Самый большой выигрыш наступил бы после превращения иглы в шар, так как из всех тел с определенным объемом минимальной поверхностью обладает именно шар. Но для превращения иглы в шар вещество иглы должно перемещаться на расстояние, приблизительно равное ее длине, что очень трудно осуществимо, а поэтому игла довольствуется меньшим выигрышем энергии: образуя перетяжки, она разбивается на много шариков-капелек. Этот выигрыш энергии более доступен, так как для распада на несколько капель вещество иглы должно переместиться на расстояние, приблизительно равное диаметру иглы, а оно существенно короче длины. Наиболее быстро этот процесс завершается в самом тонком месте иглы — у ее кончика.
Вот, пожалуй, все, что я хотел рассказать о фотографиях вольфрамовых и водяных игл и о каплях, на которые они распадаются.
Водяные капли, падающие в воздухе вниз,— это дождь. Так сказать, положительный дождь. Очевидно, антидождь, или отрицательный дождь,— это воздушные капли, поднимающиеся вверх в воде. Все наоборот: не водяные капли, а воздушные, не в воздухе, а в воде, не вниз, а вверх. Такой своеобразный дождь можно наблюдать в аквариуме, когда его продувают воздухом. Во время дождя, падающего на поверхность воды, на воде появляются и лопаются воздушные пузырьки. Капля, падая на воду, образует воронку, которая, захлопываясь, превращается в пузырек, подскакивающий кверху, т. е. в каплю отрицательного дождя.
Отрицательный дождь появляется и в том случае, если на дне реки происходят какие-либо реакции с выделением газа. В металлургии процесс обогащения основан на таком же принципе: частицы пустой породы, приклеившись к поверхности всплывающего пузырька, уходят впену. Словом, стоит поинтересоваться, как «падают» вверх капли антидождя. Отрицательный дождь лучше всего наблюдать с помощью скоростной камеры, которая заметит детали, ускользающие от глаза. Фильм об отрицательном дожде снимался при небольшой частоте кадров — около ста в секунду, что всего в 4 раза быстрее обычных съемок, но и при этом мы увидели много красивых деталей процесса.
Глазок кинокамеры через стекло аквариума следил за одиночными пузырьками, которые рождались на кончике стеклянной трубки, соединенной с надутой резиновой камерой волейбольного мяча. Подачу воздуха можно было регулировать, задавая, таким образом, частоту отрыва пузырьков от конца стеклянной трубки. Линейка с делениями, установленная рядом с всплывающим пузырьком, и секундомер позволили не только качественно наблюдать, что происходит с воздушным пузырьком, но и измерить скорость его всплывания.
Всплывающий пузырек, прокалывая себя, превращается в бублик
Из отснятых эпизодов первый был посвящен процессу отрыва пузырька от конца широкой трубки с сантиметровым отверстием. Перед отрывом образовавшийся на кончике трубки пузырек имел диаметр около полутора сантиметров. В момент отрыва произошло нечто совершенно неожиданное. Оказалось, что пузырек не остается пузырьком в обычном смысле слова: нижняя часть его поверхности устремляется к верхней и слипается с ней, а затем слипшиеся поверхности продолжают стремительно двигаться вверх, придавая некогда почти сферическому пузырьку форму конуса. Вершина этого конуса в какой-то момент прорывается, и пузырек приобретает форму бублика — иногда замкнутого, а иногда надломанного. И так повторяется с каждым последующим пузырьком воздуха в воде.
Маленький пузырек, всплывая, совершает периодические колебания
Быть может, так изменяется форма не любого пузырька, а лишь рождающегося большим? Предположив это, мы решили заснять второй эпизод: момент отрыва воздушного пузырька в воде от тонкой трубки, не сантиметровой, а трехмиллиметровой, а затем и миллиметровой.
В опытах с пузырьком, оторвавшимся от трехмиллиметровой трубки, вначале происходило то же, что и с полуторасантиметровым: его нижняя поверхность устремилась навстречу верхней и начал образовываться конус. Однако далее события разворачивались по-иному. Конус не прорвался, и бублика не возникло, а через некоторое время его движение обратилось вспять: верхняя поверхность оттолкнула от себя нижнюю и последовала за ней. Движущийся пузырек начал колебаться. Это происходило во время всего движения, вплоть до того момента, когда он достиг поверхности воды.