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.
Затем отсняли третий эпизод. От первых двух он отличался только диаметром трубки — она равнялась миллиметру. Пузырьки, рождавшиеся на конце такой трубки, отличались своей судьбой от предыдущих. Оторвавшись от трубки, они сохраняли почти сферическую форму на всем пути до поверхности воды. Впрочем, и они совершали колебательные движения, которых непосредственно глазом — ни в натуре, ни на экране — мы не заметили. Эти колебания обнаружились лишь после того, когда с помощью точного измерителя длины на большой последовательности кинокадров были измерены размеры пузырька в направлении его движения и в перпендикулярном направлении. Оказалось, что небольшие колебания происходят с большей частотой, чем у пузырька, вышедшего из трехмиллиметровой трубки.
Попытаемся разобраться в происходящем. Общая особенность, характерная для всех трех типов воздушных пузырьков, выдутых из трех трубок разных диаметров, заключается в том, что, двигаясь, они колеблются. Амплитуда этих колебаний оказывается тем большей, чем больше размер пузырька. У самого крупного амплитуда оказалась настолько большой, что при первом же колебании пузырь прорвался, как бы сам себя проколол, и превратился в бублик. А пузырьки поменьше колеблются с меньшими амплитудами и сохраняют свою целостность.
В чем причина возникновения колебаний, кто их провоцирует, как они поддерживаются? Ответ подсказывают кадры первого из отснятых эпизодов. На них отчетливо видно, что снизу вода устремляется в объем оторвавшегося пузыря. Снизу потому, что именно здесь давление воды максимально. В этот момент форма пузыря искажается, перестает быть сферической, а значит, ее поверхность увеличивается. Естественно, пузырь начинает бороться с этим насилием, стремясь вернуть себе сферическую форму. Колебания возникают в конкурентной борьбе: разность давлений вверху и внизу пузыря искажает форму, а его стремление к уменьшению собственной поверхности эту форму восстанавливает.
Пользуясь понятием о лапласовском и гидростатическом давлениях, можно об этой борьбе рассказать так: разность гидростатических давлений, которая пропорциональна диаметру пузыря, деформирует пузырь, а лапласовское давление, обратно пропорциональное диаметру пузыря, восстанавливает форму. Вот почему чем меньше пузырь, тем меньше размах колебаний. Ведь с уменьшением его размера деформирующее давление уменьшается, а восстанавливающее растет.
Колебания пузыря происходят в воде. Грамотнее говорить так: колеблется не пузырь, а вода вблизи области, где она отсутствует и которую мы называем пузырем. А если дело обстоит так, то время, в течение которого происходит одно колебание (τ), должно зависеть от свойств воды — вязкости (η) и поверхностного натяжения (α). Кроме того, период должен зависеть и от размера пузыря (R). Оказывается, что во всех этих зависимостях действует самый простой закон «чем — тем»: чем больше вязкость — тем больше время, чем больше поверхностное натяжение — тем меньше время, чем больше размер — тем больше время. Формула, выражающая эти зависимости, выглядит так:
τ ≈ Rη/ α
Эта формула — единственно возможная комбинация величин, от которых зависит τ, имеющая размерность времени.
Кадры кинофильмов хорошо подтверждают эту закономерность. Из кинофильмов мы заимствовали сведения о величинах τ и R и по формуле вычисляли отношение η/α. Если теперь из таблиц физических констант заимствовать η, можно определить α, если заимствовать α — можно определить η. И α и η оказывались вполне разумными.
Был отснят еще один любопытный эпизод, о котором стоит рассказать. Кинокамера следила за тем, что происходит, когда пузырек — капля отрицательного дождя — падает на границу раздела между водой и воздухом. События, которые при этом разыгрываются, тоже зависят от размера пузыря. Крупный пузырь вздувается над поверхностью воды, при этом большая полусферическая арка из тонкой водяной пленочки оказывается нежизнеспособной и почти мгновенно лопается. Пузырь поменьше оказывается более жизнеспособным: хорошо видно, как постепенно меняется его форма, пока не становится равновесной. Некоторое время такой пузырь живет, а затем лопается либо вследствие обстоятельств случайных — то ли села на него пылинка, то ли порвал его слабый ветерок, либо оттого, что жидкость с верхней части пузыря стекла к его подножию. Иная судьба у маленьких пузырьков, образовавшихся на кончике миллиметровой трубки. Прикасаясь к границе раздела, они немного деформируют ее, приклеиваются к ней и, почти полностью находясь в воде, сохраняются надолго.
И наконец, еще одно наблюдение. Большие пузыри всплывают очень быстро, а маленькие движутся медленно — все, как в настоящем дожде. И, как в настоящем дожде, крупные пузыри — капли — догоняют мелкие и поглощают их. В этом следует усматривать еще одно основание для того, чтобы пузыри, всплывающие в воде, назвать антидождем. А то, что из капель такого дождя не образуются лужи,— аналогии не помеха. Ведь капли настоящего дождя на поверхности реки тоже луж не создают ...
Известно, что «капля камень долбит» — ив переносном и в прямом смысле слова. В одном крымском селе я видел лежавшую у дома под крышей глыбу камня ракушечника, которая на полуметровую глубину была разрезана водяными каплями, падавшими во время дождя с крыши. Жестяная крыша оканчивалась ровной кромкой, и продолбленная каплями прорезь вкамне эту кромку повторяла. В камне попрочнее каплям, возможно, не удалось бы сделать такую глубокую прорезь, а ракушечник — хрупкий и сыпучий — поддался, и вода разрезала его почти надвое.
Откуда у жидких, «мягких» капель эта способность долбить камень? Впрочем, быть может, это иллюзия, что вода во всех случаях жизни мягкая? Ведь если плашмя упасть на воду, можно убедиться, что она совсем не так уж мягка. А рука, медленно движущаяся в воде, свидетельствует об ином: вода легко расступается, уступая ей место. Одна и та же вода в одном опыте оказывается совсем не мягкой, а в другом — ее мягкость вне сомнений.
Видимо, надо договориться о понятии слова «мягкий», вложить в него определенный физический смысл. Если мы каким-то движущимся предметом прилагаем усилие к некоторому телу и это тело послушно меняет свою форму, успевая следовать за движущимся предметом, мы говорим, что тело «мягкое». Уйдем от общих слов и будем рассуждать конкретнее. Пусть «движущийся предмет» — наша рука, а «некоторое тело» — вода. Если рука движется в воде медленно — вода мягкая, если же быстрым движением ударить рукой по воде — ощущается боль, несовместимая с представлением о мягкости. Все дело в том, как успевает вода следовать за движением руки. Вода имеет вязкость, и поэтому скорость ее реакции на движущуюся руку ограничена, она не успевает следовать за «быстрой» рукой, препятствует ее движению, и в этом случае ощущение мягкости воды исчезает: в момент удара по ней она ведет себя подобно твердому телу.
