Чтение онлайн

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 Pr в лобовой точке капли, где оно наибольшее и равно скоростному напору u2/2 (струйка тока газа полностью тормозится). Давление поверхностного натяжения опре­делим по известной формуле Лапласа для жидкого шара Рж = 4/а. Величина отношения давлений (с точностью до постоянных коэффициентов) дает комплекс, называе­мый критерием, или числом Вебера We:

 Рг/Рж We = u2а/.

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).

Теперь новое число приобрело ясный физический смысл критерия деформации и дробления летящей кап­ли. Критической фазе отвечает его минимальное дробя­щее значение (рис. 17).

Все добытые в опыте цифры, как льдинки мальчика Кая в андерсеновской «Снежной королеве», сами сло­жились в нужной комбинации: Кай прочел слово «вечность», а мы — слово «истина». Это слово нас вдохновляло, хотя речь шла всего лишь об одной маленькой научной истине из мира таких же маленьких капель.

Рис. 17. График дробления капель в потоке газа:: 1 — режим критик ческой деформации, 2 —режим распыливания

 ***

Найденная формула безотказно действовала для всех не очень вязких жидкостей и годилась для разных видов топлива реактивных двигателей. В случае вязких жидкостей дело усложнялось; например, для касторово­го масла критерий раздвоения оказался много больше. Это и понятно: здесь демпфирующие силы, кроме по­верхностного натяжения, включают и силы вязкости жидкости, которые для других жидкостей можно было не учитывать.

В мире капель накопилось много интересных наблю­дений и фактов, а вот количественных закономер­ностей —дефицит. Мне посчастливилось наткнуться на одну из них случайно. Но, как поется в песне, «пусть наша встреча была случайной, но не случайно вспыхнула любовь». Критерий дробления заставил по-новому взглянуть на некоторые вещи: любая газовая среда — своеобразное аэродинамическое сито, оно не пропустит капли крупнее «своей» ячейки, которая и сама зависит от скорости полета. Теперь я сумел бы ответить на во­прос, который могли задать тогда, давным-давно, в са­молете: почему появляются градины с голубиное яйцо, но капли дождя у земли никогда не бывают больше четырех—пяти миллиметров. Дело в том, что твердые градины (льдинки), падая в воздухе, сохраняют свою целостность, тогда как крупные жидкие капли при своем падении приобретают у поверхности земли такую скорость, которая заставляет их дробиться, если размер капли превышает четыре—пять милли­метров.

А процесс каплеобразования: распад жидких струй или пелены форсунки, быть может, только первая ста­дия? Возможно, процесс развивается фаза за фазой, как цепная реакция распада? Тех, кто работает с кап­лями, иногда посещают атомно-квантовые аналогии: волна на струе — будущая капля, оторвавшаяся части­ца — несет волну.

Чем не дуализм «волна-частица»!

Как бы поближе разглядеть механизм этого ювелир­но-тонкого процесса разделения капель? Пусть, решил я, жидкость движется в жидкости, быстрое станет мед­ленным, мелкое — крупным. Конечно, такой простей­ший опыт ставили и раньше, но результат мне показал­ся необычайно интересным, несущим еще не полностью понятую информацию.

Желающие могут повторить этот опыт у себя на сто­ле. Стеклянная пол-литровая банка, пипетка и флакон черной туши — все лабораторное оборудование. Банку наполните доверху водой, пусть пару минут отстоится. Теперь наберите в пипетку туши, поднесите ее на санти­метр к уровню... Я не предлагаю, как раньше, попытать­ся ответить, что произойдет: угадать нельзя, вычислить тоже.

...Три, два, один — пуск! Черный шарик пошел в воду, начинается подводный цирк: капля мгновенно вы­ворачивается в аккуратное колечко, на нем появляются знакомые волны симметричных колебаний — вспухания, пережимы. И вот кольцо разделилось на ожерелье ка­пель. Хоровод капелек медленно, согласованно погружается дальше — можно пересчитать подводных бале­ринок и полюбоваться их пируэтами — начинается вто­рой цикл превращений. Из капель рождаются новые кольца и распадаются, вступая в новый, третий, цикл... Так идет нескончаемая типичная цепная реакция — только дно банки остановит ее.

Рис. 18. Так распадается капля туши в воде (с фотографии)

Капли ведут себя, как живые делящиеся клетки. Кто знает, может быть, это древнейший прообраз деления простейших форм живой праматерии, оседавшей с по­верхности в глубь океана? В жидкости повисает велико­лепная «люстра», наращивая ярус за ярусом: водный аттракцион, который может придумать только природа (рис. 18). Что же происходит? Распад явно идет в да­лекой закритической области, то есть при больших чис­лах Вебера, хотя скорость погружения незначительна (ее можно измерить в опыте). Дело в том, что относительно велика плотность среды р и очень мало поверхностное натяжение капли о: ведь капля туши — почти вода в воде, и этот параметр по малости даже трудно оценить.