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 сосульку 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 капелей 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...
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 немного 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 исследовать 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 более 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 сотрудниками. Повторил с различными жидкостями, меняя величину поля, напор струи. Он высказал некоторые соображения о причинах наблюдаемых явлений, затем экспериментально проверил справедливость 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 алюминиевым 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 событие, которое происходит на конце струи, когда приложено небольшое напряжение. При напряжении около 200 в/см на конце струи образуется вначале небольшая, но постепенно увеличивающаяся капля, которая затем оседает вместе со струей и стекает вдоль нее. После этого струя поднимается, и процесс начинается сначала: зарождается и растет капля, оседает вместе со струей и стекает по ней. Выглядит это очень красиво — создается впечатление, что капля танцует на струе: приседает и поднимается, приседает и поднимается. В объяснении нуждаются две характеристики явления: во-первых, почему на конце струи начинает формироваться крупная приседающая капля, которая ранее, в отсутствие поля, не образовывалась, во-вторых, чем определяется частота приседаний капли?
Известно, что в отсутствие поля на конце струи формируются небольшие капли. Судьба каждой из них абсолютно независима от судьбы соседней капли. Независимо друг от друга они отрываются от струи и опадают. Если же струя находится в поле, каждая из образующихся капель поляризуется — это означает, что заряды, имеющиеся в объеме каждой капли, перераспределяются так, что у одного конца капли оказывается больше положительных зарядов, а у противоположного — больше отрицательных. Поляризованные капли уже не безучастны друг к другу, они начинают взаимно притягиваться, образуя укрупненную каплю. До достижения некоторого размера эта капля поддерживается напором струи, а затем растущая капля, давя своей тяжестью на струю, прижимает ее к стеклянному наконечнику и оседает вместе с ней. Я. И. Френкель вычислил, что две капельки, каждая из которых имеет радиус 2 мм, друг к другу притягиваются с малой силой — всего 1 дина, но ее оказывается достаточно, чтобы удержать их рядом и вынудить принять участие в формировании крупной капли.
