Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Круг научных интересов Георгия Ивановича от­личался широтой, его теоретическая работа по распаду струи была одной из первых в отечественной литерату­ре, а в последующие годы он внес серьезный вклад в прикладную газодинамику, теорию электрической плаз­мы, проблемы Тунгусского метеорита... Обладая боль­шой человеческой притягательностью, он возглавил и много лет успешно руководил коллективом замечатель­ных, квалифицированных и способных научных работ­ников.

Рождение капли

После бесед с Георгием Ивановичем Петровым и чте­ния классических работ Рэлея у меня возник острый интерес к проблеме распада жидких струй. «Вот мы охотимся за каплей. А как она возникает? Не вылета­ют же капли из форсунки как дробь из ружья».

В самом деле, как происходит это «обыкновенное чудо», которое, впрочем, никого не волнует, кроме нескольких гидромехаников, исследующих проблемы устойчивости движения. Почему вообще струя распада­ется на капли? Текла бы себе до ближайшего препят­ствия, расползаясь по поверхности тонкой пленкой. Впервые на вопрос этот в 1878 году ответил с позиций математической физики знаменитый английский ученый Рэлей (1842—1919). Он положил начало целому на­правлению в гидродинамике, которое сейчас, с появле­нием реактивной техники, переживает второе рождение.

Работа Рэлея базируется на том факте, что струя всегда испытывает возмущения, вызванные вибрациями, отклонениями стенок от правильных геометрических форм, их шероховатостью и т. п. Если возмущения эти начнут увеличиваться, впадины волн — углубляться, гребни — расти, струя оказывается неустойчивой от­носительно малых колебаний, а волна становится буду­щей каплей; иными словами, волна должна отделиться от струи в виде частицы с диаметром, примерно равным длине волны (рис. 9). Решение Рэлея показало, что струя неустойчива и что амплитуды коротких и длин­ных волн растут с разной скоростью в зависимости от их длины. Но есть самая «легкая на подъем» так на­зываемая оптимальная длина волны λ опт, имеющая мак­симум роста среди всех других. Она примерно равна 4,5 диаметра струи. Рэлей принял естественную гипотезу, что диаметр капли определяется величиной именно этой волны. Опыты хорошо подтвердили теорию. Прав­да, результат Рэлея касался частного случая — непод­вижного цилиндра невязкой жидкости; в реальности этому соответствует медленное течение из чуть приот­крытого крана. Искровые фотографии круглой струи показали, что с ростом скорости истечения все услож­няется, изменяется форма колебаний от симметричных к антисимметричным (см. рис. 9). Длина неустойчивых волн, а с ней и размеры капель уменьшаются; из массы волн начинает резко вырываться уже не одна, а две или несколько. И вот самое существенное: вместо одинако­вых капель возникает их целый спектр разных раз­меров.

Мне захотелось внимательней присмотреться к рас­паду пелены центробежной форсунки, пользуясь ее большими масштабами и задав малые скорости истече­ния. К этому времени нас, занимавшихся реактивной тематикой, перевели из ЦАГИ в другой институт. Круг проблем и объем работы возросли, коллектив расширил­ся, строились новые установки и стенды.

Руководителем одной из больших научных лаборато­рий стал видный ленинградский профессор из Политех­нического института А. А. Гухман, специалист по тер­модинамике.

Александр Адольфович Гухман читал лекции в Мо­сковском авиационном институте. Их стали посещать и некоторые наши сотрудники. Многие чувствовали по­требность глубже вникнуть в классические науки, не полностью понятые когда-то на вечерних факультетах, без отрыва от производства. Мы все время пользова­лись формулами технической термодинамики, но иные считали ее скучноватой, формальной.

Обычно инженер, научный работник в прикладной области имеет дело с конструкцией, ему нужно предста­вить конкретную модель происходящего там явления, а еще лучше нарисовать ее на бумаге. Он хочет ощу­тить силовое взаимодействие потоков и тел. А тут какие-то общие начала термодинамики, невидимый кар­кас, в который вроде все вписывается и о который все время стукаешься.

Термодинамика изучает общие свойства, не завися­щие от характера внутренних взаимодействий, и отвле­кается от конкретной игры сил. Шла молва, что лекции Гухмана — образец глубины и красоты. Поэт термоди­намики? Иные недоумевали, но, прослушав его раз, уже не пропускали ни одной лекции до конца курса. «В се­мье наук,— говорил Гухман,— классическая термодина­мика как старая властная тетка: во все вмешивается, ее недолюбливают, но она всегда права. Почему же наря­ду с необходимым уважением ей часто отказывают в должной любви? Чего ей не хватает — логики, строй­ности, строгости? Нет, все эти атрибуты эстетики позна­ния налицо. Отсутствует другое — доступный физиче­ский смысл некоторых ее понятий и особенно ключево­го— энтропии. Будучи наукой структурно-описательной, классическая термодинамика не связывает понятия с механизмом явления».