Яков Гегузин - Капля

Прежде чем объяснить, что происходит с дождевой кап­лей на отвесном оконном стекле, рассмотрим поведение капли на гладкой поверхности твердого тела, которая с горизонтом образует некоторый угол г]з. Если бы на глад­кой поверхности располагалась не жидкая капля, а, ска­жем, твердый кубик, происходило бы следующее. До не­которого значения угла я(з кубик по поверхности не двигал­ся бы, а затем, при дальнейшем увеличении угла, он начал бы скользить по поверхности. Об этом подробно рассказы­вают в школе на уроках физики, говоря, что на кубик дей­ствуют две силы: сила трения и проекция силы тяжести на направление возможного движения кубика по наклонной плоскости. Эти силы действуют в противоположных на­правлениях, но сила трения не зависит от наклона плос­кости, а проекция силы тяжести с увеличением угла нак­лона растет. И когда угол наклона превзойдет тот, при ко­тором эта проекция станет равной силе трения, кубик нач­нет скользить по поверхности.

Теперь вернемся к капле. Схематически здесь все так же, как в случае твердого кубика: есть сила тяжести, есть и сила, подобная силе трения, только в случае капли эта сила отличается некоторой особенностью, так как капля не скользит, а переливается по поверхности. По наклон­ной поверхности жидкая капля перемещается, подобно гусенице. В тыльной части капли жидкость отрывается от поверхностней перетекает в лобовую часть. В этом процессе любой участок жидкости, контактирующий с поверхностью, со временем оказывается перед необходимостью оторваться от нее. Сила, которая для этого необходима, и является аналогом силы трения, действующей, когда твердый кубик скользит по твердой поверхности.

Чтобы понять, что же происходит на оконном стекле во время дождя, надо определить две конкурирующие силы: проекцию силы тяжести ( F 1 ) и силу, необходимую для от­рыва жидкости от твердой поверхности ( F 2 ) в области тыль­ной части движущейся капли.

Сила F 1 зависящая от угла наклона плоскости по отноше­нию к горизонту φ , равна F 1 = mg sin φ ( т — масса капли). Происхождение силы F 2 связано с тем, что жидкость и твердое тело, на поверхности которого она находится, притягиваются друг к другу силами молекулярного взаимо­действия. Это взаимодействие количественно можно оха­рактеризовать той энергией, которую необходимо затра­тить, чтобы отделить жидкость от твердой поверхности по площади контакта 1 см 2. До отрыва энергия, связанная с границей жидкость — твердое, равнялась α жт . После отрыва жидкости от твердого тела образуются две поверх­ности; одна из них — свободная поверхность жидкости с энергией α ж , вторая — свободная поверхность твердого тела с энергией α т . Таким образом, интересующая нас энергия отрыва в расчете на 1 см 2 равна Δα = α т + α ж — α жт

Схема движения капли по наклонной плоскости

Имея в виду каплю, которая с поверхностью твердого тела соприкасается по кругу диаметром 2 R , величину силы F 2 можно вычислить, следуя очевидной логике. Мысленно сместим каплю как целое на некоторое расстояние х . При этом будет выполнена работа (или затрачена энергия), равная произведению площади, на которой жидкость ото­рвалась от твердого тела, на величину Δα . Легко сооб­разить, что эта площадь равна 2 Rx и, следовательно, вы­полненная работа А = 2 R Δα x . А так как работа равна произведению силы F 2 на путь х , то F 2 = 2R Δα . Может возникнуть вопрос: почему учитывается затрата энергии на отрыв тыльной части капли от поверхности твердого тела и не учитывается выигрыш энергии вследствие «на­бегания» лобовой части капли на эту поверхность? Дело в том, что энергия, выигранная при «набегании», не исполь­зуется для облегчения отрыва. Она просто рассеивается, быть может, чуть-чуть нагревая каплю. Идущему по бо­лоту не легче вытаскивать правую ногу из трясины из-за того, что левая в это время легко туда проваливается.

Чтобы капля поползла по наклонной поверхности, необ­ходимо выполнение условия: F 1 > F 2 , или mg sin φ > 2 R Δα . Учтя, что оконное стекло наклонено по отношению к линии горизонта под углом φ = 90°, а это означает, что sin φ = 1 , легко придем к заключению, что по стеклу поползут лишь те капли, масса которых удовлетворяет условию: