Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Эти волны видны на фотографии у корня факела («ребристая структура»). В зоне распада («туманно­зыбкая» область, которую я силился разглядеть нево­оруженным глазом) обнаруживаются кольца или вол­нистые круговые нити. Это отделившийся гребень коль­цевой волны антисимметричного возмущения. Нить рвется на фрагменты, превращающиеся в капли,— результат развития возмущений на каждом отдельном кольце.

Рис. 12. Факел распыливания центробежной форсунки: а — рисунок по фотографии, сделанной при большой экспозиции, б — схема рас­пада пелены (образование волн)

При более высоких давлениях жидкости — в десят­ки атмосфер — с поверхности срываются в виде роя ка­пель гребни мельчайших волн, прежде чем кольцо длин­новолновых колебаний полностью сформируется. Это здесь при больших скоростях жидкости возникают мел­комасштабные волны возмущений.

Я долго любовался искровыми фотографиями, кото­рые раскладывал пасьянсом на своем столе. А как объяснить все это теоретически? Провести точное мате­матическое решение для такого сложного течения не представлялось возможным. «Смело упрощайте за­дачу,— вспомнил я совет старших, более опытных иссле­дователей,— обрубайте боковые ветви, только не зару­бите сам ствол...»

«Волны возмущений начинаются сразу на рюмочке гиперболоида, а он близок к цилиндру,— рассуждал я.— Если полый цилиндр развернуть, получится плос­кая пелена; с плоским течением уже можно справить­ся». Использовав метод малых возмущений из работ Рэлея и Г. И. Петрова, я нашел решение. Течение оказа­лось неустойчивым, определилась оптимальная волна λ опт— слой должен был распадаться на фрагменты с характерным размером волны.

Доклад на эту тему я делал в один из холодных дней послевоенной зимы, стоя у доски в огромных под­шитых валенках; мел не слушался замерзших пальцев. В нетопленом конференц-зале носились «дышки», но аудитория была многочисленной. И вскоре все согре­лись от тесноты и горячей дискуссии. Выступали инже­неры из разных конструкторских бюро.

— Помогите определить спектр распыливания на­ших форсунок. У нас уже накопился большой опыт по отработке камер, теперь необходимо сопоставить их параметры с параметрами спектра.

Стало ясно, что необходимое инженерам количе­ственное решение задачи о спектре математике пока не дается, нужно скорей научиться измерять каплю.

Прошли многие годы, прошелестели многие сотни страниц научных работ теоретиков в попытке решить задачу спектра, но «воз и ныне там». А требование практиков мы через некоторое время удовлетворили — пришел на помощь эксперимент.

Перипетии судьбы

Итак, распад струй, разрыв непрерывности, который представлялся на первый взгляд мгновенным скачком, при внимательном исследовании оказался сложным мно­гоступенчатым процессом. Но вот из катастрофы распа­да родилась капля. Как она ведет себя и движется дальше? Какова форма летящей капли?

Обычно следует ответ, что капля, двигаясь, вытянет­ся под действием воздуха вдоль траектории, станет об­текаемой. Действительно, каплеобразная форма — сим­вол хорошо обтекаемого тела и стремительного полета. Память подсовывает и образ из другого, соседнего, ря­да — капля, висящая на пипетке или кончике пера. Но ответ этот — классический пример ложного хода интуи­ции. Если взглянуть на искровые фотографии движущих­ся капель, можно заметить, что они в самом деле де­формированы встречным потоком, но многие, особенно крупные, капли странным образом вытянуты не вдоль, а поперек линии полета. Капля становится не более, а ме­нее обтекаемой. Рис. 13 объясняет этот кажущийся парадокс.

На схеме показано распределение нормаль­ных давлений (перпендикулярных поверхности обтекае­мого шара): значками « + » и «—» обозначены соответ­ственно зоны повышенного и пониженного давления (сравнительно с атмосферным и статическим давлением внутри жидкости). Лобовые силы плющат каплю, дру­гие вытягивают ее с боков и у «кормы». Получается (вместо обтекаемой сигары) дискообразное тело.

Капля, срывающаяся с пипетки или водопроводного крана, действительно имеет поначалу «каплеобразную форму» — тяжелая жидкость в «мешке» растягиваю­щейся капиллярной пленки, в первый момент скорость падения мала, и аэродинамические силы не оказывают влияния. Но может все-таки случиться, что летящая капля вытянется вдоль движения. Это произойдет, если силы трения, касательные к жидкой поверхности, пре­взойдут нормальные давления, например, для медлен­но движущейся вязкой капли или капли, «ползущей» в вязкой среде. Вопрос о форме капли в потоке совсем не прост — ему посвящены многие работы и тонкие экс­перименты. Выяснилось, что капля не сохраняет посто­янной формы — она «дышит», находится в состоянии колебаний. Мы видели: на поверхности движущейся капли силы в разных точках различны, значит, долж­ны возникнуть внутренние токи жидкости от большего к меньшему давлению. Опыт с мелким порошком вну­три жидкости показывает, что в капле возникают вихре­вые токи.