Яков Гегузин - Капля

Камень, брошенный с недостаточной скоростью неуме­лой рукой, может, разок подпрыгнет, а скорее всего при первом соприкосновении с водой пойдет ко дну. Мастерст­во бросающего заключается в том, чтобы швырнуть каме­шек с максимальной скоростью и под очень малым углом к поверхности воды. В этом случае составляющая скоро­сти, направленная в воду, мала, соприкосновение камня с водой происходит импульсно, и по отношению к такому воздействию на нее вода ведет себя почти как твердое тело. В очерке «Капля камень долбит» об этом свойстве воды рассказано подробно.

Можно представить явление, которое выглядит диамет­рально противоположно описанному выше: жидкая капля, брошенная с большой скоростью и под малым углом на по­верхность кристалла, скачет по этой поверхности. Такое явление должно иметь место и наблюдается, например, тогда, когда из брандспойта поливают асфальт. В самом конце струи, там, где асфальт еще не смочен водой, можно наблюдать скачущие капли. Они оставляют на асфальте мокрые пятнышки. Капель много, и очень скоро становит­ся невозможным проследить за последовательностью пят­нышек, оставляемых одной каплей.

Недавно в нашей лаборатории совершенно неожиданно студент-дипломник наблюдал капли, скачущие по твердой поверхности, когда ставил эксперименты по взрыву металлических проволочек, вплавленных в кри­сталл каменной соли.

Эксперимент заключался в следующем. Через прово­лочку импульсно пропускался электрический ток боль­шой силы, и она взрывалась. Затем с помощью микроско­па исследовалась структура области кристалла вблизи взорвавшейся проволочки. При некоторых условиях осу­ществления взрыва кристалл растрескивался, и на оголив­шихся поверхностях можно было наблюдать пунктирные линии, состоявшие из пятнышек, которые оставила скачущая капля расплавленного металла проволоки.

Пунктирная последовательность следов во всех случаях завершалась каплей, которая, израсходовав свою энер­гию в скачках, прилипла к поверхности и закристаллизо­валась на ней.

По фотографиям можно проследить некоторые особенно­сти скачкообразного движения капли на поверхности кристалла. Но прежде чем это сделать — немного теории.

Допустим, что жидкая капля, радиус которой R , падает на плоскую поверхность под малым углом φ между по­верхностью и направлением скорости. Если бы капля обладала свойствами абсолютно упругого тела, т. е. без потерь энергии отражалась от поверхности кристалла по закону «угол падения равен углу отражения» и воздух не препятствовал ее полету, она скакала бы по его поверх­ности сколь угодно долго и длина скачка l оставалась бы неизменной. Эту длину легко вычислить. Воспользуемся обозначениями, которые указаны на рисунке. Очевидно, в направлении, параллельном поверхности кристалла, капля, имея скорость υ 1 = υ 0 cosφ , будет лететь в течение всего того времени, которое понадобится ей для того, чтобы в поле земного тяготения вначале подняться от по­верхности на максимальную высоту, а затем с этой высоты спуститься на поверхность кристалла. Это время -

τ = 2 υ 1 / g

В приведенных формулах мы воспользовались тем, что φ мало. Только в этом случае можно считать, что cos φ ≈ 1 , a sin φ ≈ φ .

Так было бы, если бы выполнялись обусловленные иде­альные обстоятельства. В действительности капля, пры­гая по твердой поверхности, теряет энергию. Во-первых, полету препятствует воздух и часть энергии расходуется на преодоление его сопротивления. Во-вторых, в момент удара капля вязко деформируется, а затем, оттолкнув­шись от поверхности, восстанавливает свою форму. И на это необходима энергия. В-третьих, в каждой точке, где капля коснулась твердой поверхности, остается жид­кое пятнышко. Его появление можно представить себе как отщепление от капли жидкой пластинки, т. е. появ­ление двух свободных поверхностей жидкости, площадь каждой из которых равна площади оставленного пятныш­ка. При этом расходуется энергия W s = 2а• S , где S — площадь пятнышка. Точно учесть все потери энергии ска­чущей капли — дело совсем не простое, так как они зависят от очень многого: скорости полета, массы капли, вязкости и поверхностного натяжения вещества капли. Величина этих потерь изменяется от скачка к скачку. Если сделать заведомо упрощающее предположение, что в каждом очередном скачке капля теряет одну и ту же энергию W , изменяя при этом массу незначительно, можно определить длину n-го скачка ( l п) с помощью фор­мулы, которая следует из предыдущей: