Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Волнующие моменты, когда спешишь на работу как на праздник, ждешь не дождешься результатов опыта, проявляемой фотографии, обмеряемой осциллограммы,  лент ЭВМ. Бывало, ожидаешь результатов расчета, как приговора. Техник Раиса садится за расчеты, и через час то, что казалось творческим озарением, превратится в смешную ошибку, а случайное замечание — в новую идею. Но как не часто попадается крупинка золота в песочных часах нашей жизни!

Любопытный психологический феномен — я сталки­вался с ним неоднократно. Напряженно ждешь резуль­тата вычислений, ожидаемая цифра громко обсуждает­ся здесь же в комнате с сотрудниками. И вот ты в вос­торге: Раиса Ивановна, твой техник, ас арифмометра и логарифмической линейки, выдает ту самую цифру.

— Молодец, Раиса!

Но дело принципиальное, и ты садишься вместе с аспирантом за проверку, чтобы работать в четыре руки.

— Раиса, никогда не ошибающаяся, «железная» Раиса, что ты наделала, злодейка!

Наш дважды повторенный расчет дает совсем дру­гую цифру. Надо же было Раисе ошибиться так хитро! Непостижимо: ошибка по заказу! (Теперь я никогда не говорю технику наперед предполагаемый результат). Психолог, вероятно, объяснит такое явление скрытой ра­ботой подсознания, сознанию это просто не под силу. Расчетчик обычно не размышляет над результатом, он ему безразличен. Да и не так просто в ходе неокончен­ного расчета «подтасовать» итог. Из психологии извест­но — наши ошибки и обмолвки совсем не случайны. Однажды мы все ожидали премии за окончание сроч­ных работ, и машинистка в научном отчете напечатала: «Экспериментальные точки хорошо ложатся на пре­мию», вместо «на прямую» — неплохо сострила.

И вот следующий долгожданный день наступил. Сначала я повторил один к одному прежний экспери­мент. Эффект раздвоения капли за ночь не изменил своей природы. Потом я слегка уменьшил скорость воз­душного потока — отпечаток снова стал одиночным. Так я нащупал границу: чуть уменьшишь скорость — один отпечаток, увеличишь — два. «Прочь, сомнения и трево­ги!» Я случайно наткнулся на новое явление — дробле­ние капли в потоке воздуха при определенной критиче­ской скорости.

Я круто изменил направление исследований. К чер­ту нудные работы с поправочным коэффициентом от­печатка! (Благо, они почти закончены.) Распад капли в потоке гораздо принципиальней и интересней. Теперь нужны убедительные подтверждения. Ведь мы все-таки не видели своими глазами, как она дробится. Доказа­тельства требуются четкие и наглядные, тогда можно избежать неприятных разговоров с начальством о новой , внеплановой теме — победителей не судят. Я начал с химии: в лаборатории реактивов изготовили стопку фильтровальной бумаги со специальной пропиткой. В жидкость — теперь мы перешли на воду — была до­бавлена специальная примесь красителя, практически не менявшая физических констант воды. Капля, попав­шая на экран, моментально впитывалась — отскакива­ние исключалось. На бумаге возникало «глазастое» яр­кое пятно, оно хорошо было видно невооруженным гла­зом и для очень мелких капель.

Таким «победным флагом» можно было помахать перед глазами членов научно-технического совета. Но все-таки хотелось увидеть, зафиксировать сам процесс дробления. Конечно, здесь годился прибор, который тогда назывался «лупа времени» или попросту «скорост­ное кино». Но его надо было искать в другом институте. К тому же прибор нуждался в тонкой наводке и фоку­сировке. А куда наводить эту оптическую «тяжелую артиллерию», если точка дробления неизвестна и навер­няка «гуляет» в пространстве и времени? Совместно с оптиками мы придумали более простой метод. Летящая капля фотографировалась в затемненной комнате при боковом освещении (рис. 16). Объектив фотоаппарата оставался открытым; свет, отраженный поверхностью ртутных капель (или преломленный каплями воды), по­падал в объектив и прочерчивал на пленке всю траек­торию, ясно обозначая место раздвоения. Труд, вложен­ный в методику, всегда окупается сторицей. Опыты показали четкий результат. Для каждой жидкости име­ется своя критическая скорость, она тем больше, чем мельче капля; критическая скорость растет с ростом по­верхностного натяжения жидкости и с уменьшением плотности газа.

Эксперименты прошли быстро, на одном дыхании. Были получены новые интересные факты, теперь пред­стояло осмыслить их, свести воедино многочисленные столбцы разрозненных цифр в протоколах опытов. Каков закон дробления? Я попробовал рассуждать просто. . При полете капли противоборствуют две силы: активная — аэродинамическая — стремится деформировать каплю; стабилизирующая, обусловленная поверхност­ным натяжением, сопротивляется — эластичная жидкая поверхность изгибается, но не рвется.

Рис. 16. Схема экспериментов по дроблению капель в газовом пото­ке: 1 — выходное отверстие воздуходувки, 2 — капельница, 3 — осве­титель, 4 — точка раздвоения капли, 5 — фотоаппарат, 6 — улавли­вающий экран

О чем говорит факт существования критической ско­рости? О некой критической стадии деформации. Если отклонение от шара невелико, форма (как и сфериче­ская) еще устойчива относительно малых возмущений, деформация обратима; потом на излете капля стянется в шарик. Но если дело зашло далеко, достигнут крити­ческий предел — возврата нет, малые возмущения (как и на струе) довершат дело, развалят каплю. Дойдет до критической деформации или нет, это вопрос «кто — кого» в противоборстве сил.

Движущаяся капля всегда немного вибрирует. Вда­ли от критической фазы эти малые колебания для нее безопасны. На критической грани капля «дышит тяже­ло», как бы раздумывая — развалиться или нет, и где- то на «выходе» перетягивается восьмеркой пополам.

Теперь от качественных соображений предстояло переходить к числам, памятуя, что качество — непознан­ное количество. Легко сказать: к числам. От них пестрит в глазах.

Таб.1

В каждом опыте (а он «схватка в воздухе») капля имеет свою «визитную», или, может, лучше — «летную» карточку. Там о ней все записано: диаметр капли, поверхностное натяжение жидкости, скорость и плотность обдувающего газа. Целых четыре числа — умножьте на сотни опытов... необозримое поле. А что, если «роковой вопрос» жизни капли выразить на коли­чественном языке соотношения противоборствующих сил: активной — давления потока и демпфирующей — давления поверхностного натяжения (они как раз за­висят от четырех наших чисел). Возьмем давление газа P_r в лобовой точке капли, где оно наибольшее и равно скоростному напору ρu²/2 (струйка тока газа полностью тормозится). Давление поверхностного натяжения опре­делим по известной формуле Лапласа для жидкого шара Р_ж = 4σ/а. Величина отношения давлений (с точностью до постоянных коэффициентов) дает комплекс, называе­мый критерием, или числом Вебера We:

 Рг/Рж ≈ We = ρu²а/σ.

Теперь четыре числа заменялись одним. Путь эконо­мии информации обычно плодотворен. Он и привел меня к искомому закону. Стоило разложить «летные» карточки моих капель по порядку новых номеров, как обнаружилась интересная закономерность.

Пусть взяты самые разные четверки исходных чисел для совсем непохожих жидкостей: воды, ртути, спирта, керосина. Если их новый «паспортный номер» одинаков, одинакова и судьба капель. Когда число Вебера меньше десяти, капля остается целой; если оно равно десяти, происходит раздвоение; при числе чуть больше деся­ти (11—12 — деликатная область, верхнюю границу най­ти трудно) — распад на несколько крупных (три, четы­ре, пять...) примерно равных частей. Дальше, если число достигает 14, переход в мир иной, от порядка к хао­су — режим распыливания: капли, возникшие в резуль­тате распада, на порядок меньше исходной капли и со­ставляют статистический спектр; с ростом числа Вебера за 14 (закритическая область) капельные осколки все измельчаются. Различные формы деформации и распа­да капли в зависимости от числа Вебера приведены в таблице (Таб.1).