Капля

Здесь начинается рассказ о физическом опыте. Назовем его так: опыт первый. Про­зрачный стеклянный стакан я доверху заполнил снегом, немного притрамбовал его и поставил в комнате на столе. Со временем снег опустился ниже кромки стакана и отстал от стекла. Минут через пят­надцать объем снега умень­шился почти вдвое. Снег те­рял белизну, в нем явно об­разовывалась вода, но на дне стакана ее не было — ни кап­ли! Первые капли талой воды появились позже, когда снег, промокнув, начал в стакане расползаться, оседать.

Последовательность кадров фильма о таянии снежных сфер

Этот случайно поставлен­ный опыт убедительно свидетельствовал о том, что, пла­вясь, снег удерживает в себе воду. Или лучше так: ту воду, которая раньше всего обра­зуется на поверхности снега, где температура наиболее вы­сока, снег всасывает в себя. Это удивительно напоминает осушение ментоловой капли ментоловой иглой. Вместо ментоловой иглы — пористый снег, в котором много поверх­ностей, «жаждущих» покрыть­ся водой, вместо жидкого ментола — вода, образующая­ся при плавлении поверхност­ного слоя снега.

Первый случайный опыт мне показался нечистым, «упрекаемым», так как не все участки поверхности снега в стакане были в одинаковых условиях: боковая поверхность и верхний торец снежного цилиндра соприкасались с воздухом, а нижний торец, на котором цилиндрик стоял,— со стеклом стакана. Я поста­вил опыт преднамеренно — опыт второй. Из снега слепил небольшой шарик — такой, каким ребята играют в снеж­ки. Продел сквозь него нитку и наблюдал за тем, что про­исходит со снежной сферой, прежде чем от нее отделится первая капля талой воды.

Позже, уже в условиях лаборатории, этот опыт был пов­торен аккуратнее, со многими снежными сферами разных размеров, и все увиденное заснято кинокамерой. Чтобы результаты опытов можно было обработать количественно, рядом с шарами расположили масштабную линейку и ча­сы. Кинолента рассказала о том, что со временем при ком­натной температуре все снежные шары уменьшаются. Внизу каждого из них появляется вода, которая, однако, не капает, а остается в снегу. Снежная сфера со всех сто­рон равномерно обогревается воздухом, и вода появляется на всей ее поверхности. Капиллярными силами она втя­гивается в объем сферы, а затем под действием силы тяже­сти собирается в ее нижней части. Здесь сфера темнеет. Накапливающаяся вода продвигается к «макушке» сферы, и, когда весь объем сферы «напьется», от нее отделится пер­вая капля. А затем капля за каплей — весь снег истечет талой водой. Чем меньше сфера, тем раньше появится пер­вая капля.

Немного простых рассуждений. Очевидно, перед рожде­нием первой капли, насытившись водой, т. е. заполнив ею все поры, снежная сфера уменьшит свой объем на величи­ну, равную объему пор. Объем пор равен произведению на­чального объема сферы на одинаковую для всех сфер величину пористости. Именно поэтому относительное изменение объема сферы до момента рождения первой капли не должно зависеть от ее начального размера. Ведь именно эта величина равна пористости. Из опы­тов и следовало, что относительное изменение объема снежной сферы не зависит от ее начального радиуса.

А теперь — немного стихов. Как-то мне попались на глаза такие строки о таянии снега:

...Что зима с землей ни делала,

Как ни била, как пи жгла —

Из-под снега, из-под белого

Снова речка потекла...

Стихи эти очень складные, но очень неточно отражают процесс таяния: «из-под снега, из-под белого» талая вода не течет. А вот строки из стихотворения Николая Забо­лоцкого «Оттепель»:

...Оттепель после метели.

Только утихла пурга,

Разом сугробы осели

И потемнели снега...

Из-под такого снега талая вода вскоре появится — вначале капля, а затем бурный весенний поток.

Весенняя капель

Много физических явлений связано с весенней капелью. Например, можно рассказать о закономерностях образования изумительной по совершенству и красоте «каплевидной» формы капли, готовящейся оторваться от тающей сосульки. Не могу объяснить почему, но форма набухающей капли мне представляется верхом гео­метрического совершенства. Разве лишь сфера может сравниться с ней по красоте и логической законченнос­ти формы. Можно рассказать о солнечных бликах, жи­вущих на поверхности капли, которая набухает на кончи­ке сосульки. Блики колеблются в ритме дыхания набухающей капли. Можно рассказать о весеннем звоне, который, по мысли поэта, сопровождает полет сосульки из зимы в весну. Звон капели звучит во многих стихотворных и музыкальных строчках, и, ко­нечно же, следовало бы рассказать об акустике удара капли о поверхность воды или льда, покрытого водяным слоем. Капля разбивается на мелкие осколки, и каж­дый из осколков вносит свое звучание в весенний звон.

Много физических явлений связано с весенней капелью, а здесь рассказ лишь об одном из них — о том, что проис­ходит в тот момент, когда набухшая капля отрывается от родившей ее сосульки. Обычно глаз этого явления не замечает, точнее — в глаза оно не бросается. А кинокаме­ра помогла сделать его зримым, очевидным.

Перед нами две кинограммы, смонтированные из кад­ров ленты, на которую был заснят процесс отрыва капли от двух различных сосулек, одна из которых — поострее, а другая — потупее. Первые кадры на этих кинограммах практически одинаковы. Они рассказывают о том, что на­бухающая капля увеличивает свой объем и, двигаясь по направлению к земле, вытя­гивает тонкую перемычку — связующее звено между со­сулькой и каплей. Затем капля от перемычки отрыва­ется и свободно падает, а оставшаяся перемычка начи­нает изменять свою форму. Она укорачивается, утолща­ется в нижней части и в виде сформировавшейся капельки отрывается от сосульки. Итак, рождению каждой крупной капли сопутствует рождение еще одной малень­кой капельки. Ее объем суще­ственно, приблизительно в 100 раз, меньше объема пер­вой капли, и, как правило, глаз ее не замечает.

Капелька, возникшая из перемычки, подпрыгнув, иногда возвращается к сосульке

Судьба маленькой капли оказывается очень неожидан­ной. Возникнув,она не летит вслед за падающей большой, а, наоборот, начинает дви­гаться вверх, по направле­нию к сосульке. Иногда это движение оканчивается тем, что малая капля достигает сосульки и как бы поглоща­ется ею, а иной раз, немного переместившись вверх, она летит вниз вслед за большой.

Судьба маленькой капли зависит от того, какой тол­щины была перемычка, пре­вратившаяся в капельку, а толщина перемычки зависит от того, насколько остра таю­щая сосулька. Капельки, воз­вращающиеся в сосульку, обычно рождаются сосулька­ми остроконечными. Кинограммы потому и различают­ся последними кадрами, что они относятся к сосулькам с разным углом при вершине.

Попытаемся понять то, о чем рассказывают кинограм­мы. После отрыва большой капли с перемычкой происхо­дят два процесса: первый — на ее конце формируется маленькая капелька; вто­рой — капиллярными силами эта капелька подталкивается вверх. Эти силы не возникли бы, если бы капля была обо­собленной, ограниченной сфе­рической поверхностью. В та­кой капле было бы лишь скомпенсированное давление всестороннего сжатия. Кап­ля на кончике сосульки ввер­ху не закрывается сфериче­ской поверхностью, и поэтому к противоположному участку ее поверхности приложена нескомпенсированная сила, обусловленная лапласовским давлением Р_л; она-то и тол­кает каплю вверх.

А иногда она сосульки не достигает