Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Ударяясь о пластичное покрытие сажи с парами магнезии, капли жидкости не разрушались, оставляя на саже аккуратный кружочек — след. Мягкость покрытия сочеталась с прочностью, сажа не сдувалась потоком. После эксперимента в окуляре микроскопа была видна четкая контрастная картина — черные кружки на сереб­ряном фоне магнезии, что облегчало кропотливые изме­рения: ведь в пробе иногда приходилось обрабатывать до 2000—3000 отпечатков.

Применение этого метода позволило ответить на са­мые неотложные вопросы, но вообще — и этот вопрос встает для каждого метода — оставалось неясным, какое число частиц нужно измерять, чтобы знать, «сколько кого» в общей массе капель? Другими словами, какая проба уловленных частиц представительна, чтобы верно судить о всем спектре? Проще всего сказать: берите пробу побольше, подойдете к истине ближе. Но попро­буйте просидеть, склонившись над окуляром микроско­па, неделю за неделей, измеряя и подсчитывая десятки тысяч капель, до боли в глазах! И вот некоторое время спустя инженеры одной из английских нефтяных фирм предложили метод парафинового моделирования (затем усовершенствованный у нас).

Метод в своем роде уникален, поскольку позволяет оперировать не с выборочной пробой, а со всем необо­зримым множеством капель, вылетающих из форсунки, скажем, за секунду.

Взамен исследуемого керосина распыливают пара­фин, который в расплавленном состоянии при опреде­ленной температуре нагрева очень близок к керосину по ряду физических констант (удельный вес, поверхност­ное натяжение, вязкость). Вылетающие частицы быстро охлаждаются, и все их можно уловить. Но что дальше делать с ними? Частички, во-первых, слипнутся друг с другом; во-вторых, как их рассортировать по размерам? В специальных опытах подобрали жидкость — раствор этилового спирта,— где парафиновые капли, окутанные тонкой пленкой, практически не слипаются. Затем спирт с каплями пропускали через «этажерку» пронумерован­ных сит с ячейками известных размеров — от самой крупной в верхнем сите до самой мелкой в нижнем. Сита с каплями просушивали, взвешивали, находя для каждого сита массу задержанных им частиц (число из­меряемых капель составляет несколько миллионов при общем их весе всего около десяти граммов).

В результате отнесения веса частиц на каждом сите к суммарному их весу оказывается возможным постро­ить распределение капель в спектре по размерам в за­висимости прежде всего от давления подачи.

Метод парафинового моделирования позволил упра­виться со всем множеством капель и подтвердил пред­ставительность выбиравшейся ранее пробы частиц в на­ших опытах. Из-за своей сложности он не мог приме­няться повседневно, но остался как эталонный, дающий «истинную каплю в последней инстанции».

Глава III

КАПЛЯ ИСТИНЫ

Размножение капель

Для измерений в газовом потоке оказался удобным ме­тод сажевых отпечатков. Хотя он являлся выборочным, это уже не пугало. Метод парафинового рассева всегда мог указать нужную величину выборки. Эксперимента­торы дружно ухватились за методику, не дожидаясь полного ее обоснования (это шло параллельно). Точное число, а с ним успех исследований вошли в мир капель. Там, где пока пасовала теория, опыт принес первые ре­зультаты, наводя порядок в хаосе жидких частиц.

Измерение множества однородных, но разновеликих объектов имеет свои особенности. После опыления кап­лями в потоке специальный стержень или пластинка, покрытая улавливающим сажевым слоем, ставились под микроскоп. Размеры отпечатков определялись в поле зрения на шкале окулярмикрометра с точностью до де­ления шкалы. Оставалось лишь отразить в таблицах и графиках распределение капель по весам и размерам, чтобы получить их спектр.

Впоследствии, обобщив результаты анализа экспери­ментально полученных спектров, удалось найти способ построения спектра форсунок без кропотливых подсче­тов капель для различных размеров форсунки и пара­метров процесса распыливания: давления подачи, ско­рости воздуха, физических констант жидкости и газа. Конструктор получал спектр раньше, чем он «рождался в железе», и мог заглянуть в будущее двигателя, имея перед собой не реальную форсунку камеры сгорания, а всего лишь ее чертеж.

Но все это возникло значительно позже. А пока мы занимались кропотливой сортировкой капель по их раз­мерам, тратя на это бесчисленное количество часов и сил.

Наши тогдашние мечтания об автоматизации нудно­го счета капель (мы даже схватились за примитивный счетчик эритроцитов при анализе крови) реализовали современная оптика и электроника, придя на помощь утомленным глазам экспериментатора. Сейчас создано (у нас и за границей) сложное и совершенное устрой­ство — комбинация микроскопа, фотоэлемента и мини­атюрной ЭВМ. Проба частиц, отпечатков или вообще любых микрообъектов отображается на экране с нуж­ным увеличением. Наблюдатель находит интересную ему область и включает счет. Сканирующий луч мол­ниеносно обегает указанную зону, измеряя и подсчиты­вая по 10000 объектов за несколько минут. Результат — готовая таблица спектра. Хитрый прибор может изме­рять и некруглые объекты, давая средний размер по их площади или между наименьшим и наибольшим радиу­сами (например, для овалов). Открылась новая эра в исследовании полидисперсных систем. Устройство тако­го типа («Квант») применили биологи и гистологи для изучения живых клеток, его «обучили» ловить и фото­графировать «интимный» процесс—момент таинства природы, когда начинает делиться одна какая-то клетка среди множества обычных, неделящихся. Такой прибор обещает также прогресс и в технологии металлических порошков (порошковая металлургия), цементов (строи­тельное дело) и других сыпучих тел.

Но все-таки первые измерения и исследования по распыливанию были проведены в «мансардах» старых, сравнительно примитивных лабораторий. Тогда наш ме­тод улавливания на сажу нуждался в более строгом обосновании: отпечаток — еще не капля, она деформи­руется при ударе, и диаметр отпечатка отличается, есте­ственно, от диаметра капли. Чтобы выяснить это, у нас решили построить специальную опытную установку. Ра­бота мне представлялась скучной и хотелось ее скорее завершить. Я никак не мог предположить, куда она меня неожиданно заведет.

Пуск установки задерживался. Заготовив серию ртутных капель, измеренных под микроскопом, я за­брался на антресоли, под потолок самого высокого на­шего цеха, и стал оттуда прицельно сбрасывать капли на сажевый экран — «сковородку», лежащую на полу. О вредности ртути я имел тогда весьма туманное пред­ставление. Кто-то проявил вполне разумную осмотри­тельность, прибежали пожарные и представитель охра­ны труда. Возник скандал, пожарник размахивал баг­ром, угрожая стащить меня вниз.

Вскоре подоспела установка, и опыты были про­должены: капли ртути сбрасывались в поток воздуха у среза сопла и улавливались на экраны, потом сравнива­лись диаметры капли и отпечатка. Монотонная, поряд­ком надоевшая работа подходила к концу (опыты по­вторялись многократно для надежной статистики), как вдруг обнаружилась странная аномалия. При большой скорости воздушного потока на экране появился пар­ный отпечаток. Может, техник по ошибке положил в чашечку для сбрасывания две слипшиеся капли вместо одной или взял случайно уже использованный экран? Я тщательно все проверил и повторил опыт — все тот же результат. Не двоится же у нас обоих в глазах!

Упругая капля могла отскочить от экрана (раньше наблюдалось такое явление) и дать рядом повторный отпечаток. Я рассмотрел их внимательно под микроско­пом — два одинаковых следа. Не похоже на отскок, это не лунки-вмятины, а обычные пробоины. Теперь, когда исключались все возможные сомнения, оставалось одно, самое естественное объяснение. Оно, честно говоря, воз­никло сразу, но я не спешил им воспользоваться. С каким нетерпением дожидался я следующего дня!