Яков Гегузин - Капля

А иногда она сосульки не достигает

В тот мо­мент, когда маленькая кап­ля, сформировавшись, отрывается от сосульки, она еще продолжает двигаться вверх. Достигнет или не достигнет она сосульки, зависит от ее массы, от соотношения между силой, толкнувшей каплю вверх ( F ↑ ), и силой тяжести ( F ↓ ), но некоторое движение вверх, как правило, наблю­дается всегда.

Из перемычки, соединяющей каплю и жидкость в пипетке, образуется мно­жество капель-сателлитов

Точно, с помощью формул, описать все происходящее с маленькой каплей очень не просто. Ограничимся прибли­женной оценкой. Сила, вы­нуждающая капельку падать вниз, определяется точно:

F ↓ = mg = 4 / 3π R 3 ρg

А вот силу, толкающую каплю вверх F ↑ , можно лишь грубо оценить, придав определенное значение диаметру перемыч­ки, соединяющей капельку с сосулькой. Если R — радиус капли, r — радиус перемычки, а Р л = 2α / R , то F ↑ ≈ Р л πr 2= 2απ r 2 / R

Чтобы капелька на­чала двигаться вверх,необхо­димо выполнение условия F ↑ > F ↓ . Из этого условия следует, что R 4 < 6α r 2 / 4ρ g

Предположим, что R/r ≈ 10. Разу­меется, не точно 10, но тако­го порядка. В этом случае вверх заведомо полетит капелька, радиус которой удовлет­воряет условию:

R < 10 -1( 6 α /4ρ g ) 1/2

Подставив в эту формулу значения констант (поверхностное натяжение α = 70 дин/см, плотность воды ρ = 1 г/см 3 и g ≈10 3 см/сек 2), убедимся, что радиус капельки, летящей вверх, должен быть меньше, чем 0,3 мм. Именно такие ка­пелькой запечатлены на кинограммах.

В заключение еще несколько слов о капельках , возникающих из перемычки, оставшейся после отрыва большой капли. Если источником большой капли является не ко­нусная сосулька, а, скажем, плохо закрученный водопро­водный кран или пипетка, может оказаться, что перемыч­ка будет настолько длинной, что из нее образуется не одна, а несколько маленьких капелек. Эти капельки дейст­вительно наблюдаются. Оказывается, что та из них, кото­рая ближе всех расположена к источнику воды, обяза­тельно хоть немного движется вверх, а все остальные такой попытки не делают и следуют вниз за большой кап­лей. После рассказанного понять, почему так происхо­дит,— легко.

Эти пятна — укор неаккуратному фотографу. Они оста­ются на столе в фотокомнате, если, во-первых, манипуля­ции с растворами проявителя проводить небрежно, раз­брызгивать их и, во-вторых, если после окончания работы тщательно не вытереть стол, на котором осталось множе­ство капель этих растворов. Эти капли высыхают и остав­ляют после себя пятна. Можно, впрочем, пятна стереть, но прежде стоит пристально в них вглядеться — это не обычные пятна! Отчетливо видно, что при высыхании кап­ли растворенные в ней соли осаждаются не равномерным слоем, а в виде последовательности чередующихся колец. Быть может, это свойство солей, применяющихся в фото­графии, а не капель и о них не стоит рассказывать в книж­ке, посвященной каплям? Давайте высушим раствор, на­несенный на стекло не в виде капли, а в виде равномерного тонкого слоя. Осадок есть, а колец нет! Значит, осадок в форме колец обусловлен тем, что высохла именно капля.

Чтобы проследить за тем, как образуется осадок в фор­ме колец, процесс высыхания капель был заснят кинокамерой. Съемка производилась так. На предметном столике микроскопа — стеклышко, на нем — капля раствора суль­фита, под ним — осветитель и слабый нагреватель, чтобы, подогрев стекло, можно было ускорить высыхание капли. На тубусе микроскопа — кинокамера, затвор которой автоматически щелкал каж­дые 30 сек. Съемку вели от момента, когда капля поме­щена на стекло, до ее пол­ного высыхания.

Последовательность кадров фильма о высыхании капли раствора сульфита

Посмотрев ленту, можно убедиться в том, что капля высыхает скачкообразно. На неподвижных фотографиях эти скачки не видны, а на экране они видны великолеп­но. Вдоль периметра капли выпадают кристаллики осад­ка, и некоторое время диа­метр капли остается неизмен­ным. В какой-то момент он уменьшается, а затем стаби­лизируется, и вдоль перимет­ра снова начинают выпадать кристаллики растворенной соли, образуя очередное кольцо в осадке.