Капля

Меня встретил немолодой человек, некогда занимав­шийся научной деятельностью в области биологии. Он рассказал о том, что образ капли его привлекает еще с юности, что в его картотеке числится множество статей, которые прямо или косвенно посвящены капле, и что его память хранит много наблюдений над каплями. Он рас­сказал и о том, что некогда ему довелось, вернее, посчаст­ливилось сделать важную научную работу, в которой объ­ектом исследования была капля. Я ему тоже рассказал кое-что о каплях, чего, он, нефизик, не знал.

Начался разговор о сталагмологии. Я говорил о том, что не совсем понимаю правомерность такой науки. Да, действительно, о каплях известно много, и вещество в «капельной» форме изучали представители многих наук. Да, действительно, о каплях можно рассказать уйму ин­тересного, и капля, пожалуй, один из самых совершенных образов, созданных природой. И все же все это в совокуп­ности не составляет науки, основанной на прочном фун­даменте аксиом и основных законов, без которых наука немыслима. Мой собеседник многие годы лелеял мысль о сталагмологии, и ему было очень трудно согласиться с моими рассуждениями. Он не возражал, а просто не соглашался.

Итак, по-моему, сталагмология — не наука, нет та­кой науки. Отдельные свойства капель, процессы, свя­занные с ними, к наукам имеют прямое отношение, но в совокупности самостоятельной науки не составляют. Во время того трудного разговора со старым ученым я вспом­нил слова физика Феймана, одну из тех фраз, которые не­ожиданными блестками вкраплены в самые трудные стра­ницы «феймановских» лекций по физике. Он пишет: «Не все то, что не наука, уж обязательно плохо. Любовь, например, тоже не наука. Словом, когда какую-то вещь называют не наукой, это не значит, что с ней неладно: просто не наука она и все».

Предлагаемая книжка очерков о каплях не «сталагмо­логия» и не «предтеча» науки с таким звучным названием. В ней собраны рассказы о физических законах, управляю­щих поведением капли, о ее красоте и о людях, которым образ капли подсказал решение сложных и важных задач из различных областей науки.

Капля — это кусочек мира, в котором мы живем и ко­торый мы стремимся узнать. Капля — быть может, дож­девая — подсказала ученым идею модели атомного ядра и один из лучших способов наблюдения за движением элементарных частиц материи. Капля, летящая в дожде­вом потоке и падающая на речную гладь, или росинкой сидящая на паутине, или набухающая на кончике сосуль­ки во время весенней капели,— это очень красиво и по­этично, и не случайно многие поэты и художники востор­гались каплей. Я считаю, что творчество поэтов и ученых питается из одного источника — умения смотреть, ви­деть и удивляться. И кто знает, сколько еще будет увидено и понято благодаря капле?

Недавно встретилась мне великолепная книга о спеле­ологах — людях, изучающих пещеры, подземные каналы и коридоры, размытые миллиардами капель. Ее авторы, исходившие сотни подземных троп и тропок, назвали книгу «Вслед за каплей воды»...

А вот что написано о капле в «Толковом словаре» Да­ля. Слова «капля» нет, есть «капать», а «капля» — в качестве одного из множества производных слов. Они в словаре занимают места больше, чем находящиеся поблизости «капелла», «капитан», «капкан», «капрал» и «каприз», вместе взятые. «Капля» обросла множеством сентенций. Кто-то глубокомысленно заметил, что «океан начинается с капли», а кто-то — что «капля воды обладает всеми свой­ствами воды, но бури в ней заметить нельзя».

Много лет мечтал я написать книжку очерков о капле. Снимал кинофильмы, запоминал встречавшиеся стихи, в которых были строки о капле, сохранял короткие записи об историях, связанных с каплей. Готовился к книге, но не писал, что-то сковывало меня. И вот недавно встре­тилась мысль, которая придала мне решимость. Мысль о том, что писать книгу надо хотя бы для того, чтобы ос­вободиться от иллюзии, что можешь написать ее.

Итак, книжка очерков о капле. Не «Сталагмологии», а книжка очерков.

КАПЛЯ В НЕВЕСОМОСТИ

В условиях невесомости все выглядит так же, как и в условиях весомости, за исключением от­сутствия веса, в связи с чем в условиях неве­сомости все выглядит не так, как в условиях весомости.

Ответ на экзамене по физике

Опыт Плато

Жозеф Антуан Фердинанд Плато, профессор Гентского университета по кафедре физики и анатомии, в течение жизни занимался множеством различных проблем, кото­рые, судя по всему, считал значительно более важными, чем поставленный им опыт с невесомой каплей. Но история рассудила иначе и прочно соединила его имя именно с этим опытом. Опыт широко известный, классический, демонстрируемый почти во всех лекционных курсах по фи­зике. В прозрачный сосуд наливается водный раствор спирта, и затем туда с помощью пипетки вводится капля масла. Концентрацию раствора можно сделать такой, что­бы плотность раствора и масла была одинаковой. В этом случае капля масла, не растворяющаяся в спиртовом растворе, вне зависимости от ее объема, приобретет форму сферы и повиснет в растворе. Аналогичный опыт можно поставить, воспользовавшись соленой водой и кусочком жидкой эпоксидной смолы или анилина,— результат будет тот же.

Сферическая форма капли в опыте Плато объясняется тем, что вследствие равенства плотности вещества капли и среды капля оказывается в невесомости, и поэтому ее форма определяется только стремлением к уменьшению поверхностной энергии на границе капля — среда.

В последние годы в связи с развитием космонавтики возрос интерес к поведению жидкости в невесомости. Возникло научное понятие «гидродинамика невесомости». Плато, пожалуй, следует считать пионером этой науки. Он первый, оставаясь приверженным Земле, поставил жид­кость в условия невесомости, «отключив» тяготение для одной капли.

Истинная форма капли определяется суммой всех сил, которые на нее действуют, и поэтому задачи о форме капли в обычных условиях, как правило, очень сложны. Если капля лежит на твердой поверхности, то надо учесть и дей­ствие силы тяжести, которое будет каплю расплющивать, и действие собственного поверхностного натяжения, ко­торое будет каплю сжимать, и действие поверхностного натяжения на границе капля — твердая поверхность, которое тоже в какой-то степени деформирует каплю. В опыте Плато действует только одна из перечисленных сил — сила, обусловленная собственным поверхностным натяжением, и капля прини­мает форму сферы, т. е. фор­му, которая при данном объ­еме отличается минимальной поверхностью.

Капли анилина, взвешенные в воде, имеют сферическую форму вне зависимости от их размера

Последнее утверждение обычно повторяют как само собой разумеющееся. Между тем стоило бы убедиться в том, что шар действительно обла­дает минимальной поверх­ностью. Это можно сделать с помощью рассуждений, не­когда предложенных немец­ким геометром Штайнером.

Воспроизведем его рассуж­дения в виде двухэтапной последовательности.

Этап первый. Фигура, по­верхность которой минималь­на при данном объеме, не мо­жет иметь вогнутые участки, так как превращение этих участков в плоские приводит к уменьшению поверхности, которое сопровождается увеличением объема.

Этап второй. Пересечем двусторонним зеркалом вы­пуклую пространственную фигуру так, чтобы поверх­ности слева и справа от зеркала были равны. Отразим в зеркале ту часть фигуры, объем которой оказался боль­шим. При этом возникает симметричная фигура. Ее по­верхность равна начальной, а объем увеличен. Таким об­разом, вследствие зеркального отражения мы «улучшили» фигуру, сделали ее более совершенной в том смысле, что увеличили ее объем, сохранив поверхность. Единственная фигура, которую последовательностью зеркальных ото­бражений невозможно «улучшить», т. е. объем которой бу­дет максимальным при данной поверхности или поверх­ность минимальной при данном объеме, будет сфера. Это именно то, в чем мы и хотели убедиться.