Яков Гегузин - Капля

Капля молока, упавшая в блюдце, смоченное молоком

Здесь, пожалуй, уместно рассказать еще об одном кра­сивом творении из воды — подобии короны, возникающей, когда металлический шарик с большой высоты падает в воду. В момент погружения шарик выталкивает цилинд­рическую пленку воды, которая распадается на симмет­рично расположенные стерженьки и капли. Все это хо­рошо видно на кинограмме, заимствованной нами из аме­риканского журнала.

Красота обеих корон — и той, что создается каплей, и той, что возникает при падении шарика,— очень недол­говечна. Зная частоту, с которой производилась съемка, и посчитав соответствующие кадры, можно установить, что водяная корона от момента зарождения до момента распа­да живет доли секунды. После этого она разрушается, те­ряет симметрию и красоту.

В книжке о капле вполне уместен рассказ о водяном пузы­ре, поскольку пузырь может возникнуть из падающих на воду капель, а лопнув, обращается снова в капли.

Прежде чем рассказывать о фактах, попытаемся постро­ить элементарную теорию разрушения пузыря, возник­шего во время дождя на поверхности реки или с по­мощью соломинки выдутого из мыльной пены. Все знают, что, если пузырь проколоть иголкой, он исчезнет. Проще всего этот процесс описать следующим образом. В том месте, где пузырь проколот иглой, возникает отверстие. Вдоль контура этого отверстия пленка закруглится, и вследствие этого возникнет лапласовская сила, которая будет увеличивать отверстие, заставляя вещество пленки двигаться прочь от центра отверстия. Масса той части пленки, которая ранее была на месте расширяющегося отверстия, свернется в валик, обрамляющий контур от­верстия и движущийся от его центра. Со временем масса этого валика будет увеличиваться, и, если не произойдет ничего иного, «сопутствующего», через некоторое время τ все тело пленки (пузыря) свернется в одну каплю радиусом r . Нужно найти формулы, которые определяют τ и r .

Введем следующие обозначения: R — радиус пузыря, h — толщина пленки, ρ — плотность жидкости.

Радиус конечной капли легко определить, исходя из сле­дующего очевидного условия — объем жидкости в капле и в пленке пузыря одинаков:

4 π R 2 h = 4/ 3π r 3

Из этого условия следует:

r = (3 R 2 h ) 1/3

Одна формула найдена.

Прежде чем вычислить величину τ , найдем скорость, с которой движется валик от точки прокола к точке, диа­метрально противоположной которой и возникнет капля. Для упрощения расчета предположим, что пленка плоская. Учет ее изогнутости усложнил бы расчет и лишь немного уточнил результат. Исчезновение части пленки приво­дит к освобождению поверхностной энергии, кото­рая, будем считать, превращается в кинетическую энергию движущегося валика. К тому моменту, когда образуется отверстие, радиус которого R 1 ,масса вали­ ка будет равна т = π R 1 2 h ρ .

Равенство кинетической энер­гии валика и освободившейся поверхностной энергии озна­чает, что 1 / 2 mυ 2= 1/ 2 π

R 1 2 h ρ υ 2 = 2π R 1 2 α

Из записанного равенства следует выражение, определяющее скорость дви­жения валика: υ = (4α / h ρ) 1/2

Очень интересный результат.

Оказалось, что, хотя со временем масса валика и уве­личивается, движется он с постоянной скоростью, так как все величины, определяющие υ ,— константы. Причи­на ясна: с ростом отверстия масса валика растет, но при этом увеличивается и количество выделяющейся поверх­ностной энергии. И та и другая величины с ростом R 1 растут по одинаковому закону ≈ R 1 2 .

Если валик совершает равномерное движение, то время, необходимое для его перемещения от места прокола до диа­метрально противоположной точки, где валик сольется в каплю (а это и есть время взрыва), τ ≈ π R /υ .

Таким об­разом:

τ ≈ π R ( h ρ /4α ) 1/2

Итак, элементарная теория построена, найдены формулы, определяющие r и τ . Из этой теории следует, например, что если водяной пузырь имеет радиус R = 1 см, а пленка, которая его образует, имеет толщину h = 10 мк = 10 -3см, то через τ ≈ 5 . 10 -3 сек после момента прокола пузырь должен превратиться в каплю, радиус которой должен быть около 1 мм.