Чарльз Бойс - Мыльные пузыри

Мы нашли, что давление внутри короткого цилиндра уменьшается, если у него начинает образовываться перехват, и, наоборот, увеличивается, когда стенки цилиндра выпячиваются. Попробуем теперь уравновесить два пузыря: один с перехватом, а другой с раздутыми стенками. Как только я открываю кран и даю возможность воздуху переходить из одного пузыря в другой, раздутый пузырь перегоняет воздух в пузырь с перехватом и оба они становятся прямыми. На рис. 27 направление движения воздуха, а также стенок пузырей, обозначено стрелками.

Рис. 27.

Произведем теперь тот же самый опыт с двумя гораздо более длинными цилиндрами, у которых длина, примерно, в два или три раза больше диаметра. Вот они и готовы: один с раздутыми стенками, а другой с перехватом посредине. Я открываю кран и даю воздуху возможность переходить из одного в другой. Что же оказывается? Пузырь с перехватом сжимается и раздувает другой еще сильнее (рис. 28), пока, наконец, сам не разделится пополам.

Рис. 28.

Таким образом, он ведет себя прямо противоположно тому, как действовал короткий цилиндр. Если вы станете испытывать несколько цилиндров различной длины, вы убедитесь, что перемена эта происходит как раз у тех цилиндров, у которых длина ровно в полтора раза больше диаметра. Если теперь вы вообразите, что один из этих цилиндров соединяется концом с другим, вы увидите, что цилиндр, у которого длина в три раза превосходит диаметр, может существовать лишь мгновенье; причина в том, что, как только один конец чуть-чуть сожмется, давление здесь возрастает и узкий конец начинает вдувать воздух в широкий конец (рис. 29), пока стенки узкого конца не соприкоснутся.

Рис. 29.

Точная длина самого длинного устойчивого цилиндра немногим больше трех его диаметров. Цилиндр становится неустойчивым как раз в тот момент, когда длина его становится равной окружности, а это почти в точности соответствует величине в 3 1/7 его диаметра.

Я постепенно раздвигаю эти кольца, поддерживая приток воздуха, и вы видите, что, как только длина трубки становится приблизительно в три раза больше ее диаметра, оказывается очень трудным поддерживать ее, и вот вдруг образуется перехват ближе к одному концу и трубка разрывается, образуя два отдельных неравных пузыря.

Мыльный пузырь обладает натяжением и всегда принимает такую форму, чтобы его поверхность стала возможно меньшей, поскольку это допускается условиями, а именно — содержащимся в нем воздухом и формой твердой опоры, которая поддерживает пузырь. Очевидно, что это дает нам возможность установить, увеличивает или уменьшает данное изменение формы общую поверхность. Остановимся, например, на только что рассмотренном цилиндре, опирающемся на два кольца и содержащем достаточно воздуха; если длина его меньше 3 1/7 диаметра, тогда сужение одного конца и расширение другого увеличивают общую поверхность. Это мы знаем потому, что мыльный пузырь такой формы может существовать. Пузырь длиной больше 3 1/7 диаметра не может существовать. Следовательно, движение, ведущее к образованию на одном конце перехвата и раздутия на другом, как бы мало оно ни было, ведет куменьшению поверхности; пузырь уже не возвратится к прежнему положению, но это уменьшение поверхности будет идти все дальше, пока пузырь не разорвется, как мы уже видели. Как раз при критической длине в 3 1/7 диаметра небольшому такому движению соответствует крайне малое изменение поверхности. Пузырь или сопротивляется с очень небольшой силой, или способствует этому движению. Такие пузыри называются очень малоустойчивыми или просто неустойчивыми. Подобный пузырь может быть использован для изучения таких малых сил, действующих на находящийся внутри него газ, каких мы не подметили бы у пузыря более стойкой формы, например у обыкновенного шарообразного мыльного пузыря. Вот тут я выдуваю сферический пузырь с помощью чистого кислорода и помещаю этот пузырь между двумя полюсами электромагнита, т. е. куска мягкого железа, который превращается в магнит только при пропускании по обвивающей его изолированной проволоке электрического тока (рис. 30).

Рис. 30.

Пузырь и магнит можно видеть на экране, и вы слышите стук выключателя, замыкающего ток. Внутри пузыря должно происходить какое-то движение, потому что кислород слабо магнитен, однако, я сомневаюсь, чтобы кому-нибудь удалось подметить это движение. А теперь, пользуясь подставкой с двумя передвигающимися кольцами, я выдуваю другой пузырь, наполненный тем же самым газом, и вытягиваю его в цилиндр с длиной, очень близкой к критической (рис. 31).

Рис. 31.

В тот момент, когда вы слышите стук выключателя, магнит действует на газ, придает ему силу преодолеть слабое сопротивление почти неустойчивого пузыря, и в мгновение, слишком короткое, чтобы процесс можно было проследить глазом, наш пузырь разрывается на два (рис. 32).

Рис. 32.

Представим себе теперь внезапно образовавшийся цилиндр жидкости большой длины, который предоставлен самому себе; ясно, что он не в состоянии будет сохранить эту форму. Он должен распасться на множество капель. К сожалению, в падающей струе воды изменения происходят так быстро, что простым глазом нет возможности проследить движения отдельных капель. Однако, я надеюсь показать вам двумя или тремя способами, что при этом происходит. Вы помните, что мы научились получать большие капли одной жидкости внутри другой, и таким путем нам удавалось устранить действие силы тяжести. Большие капли изменяют свою форму гораздо медленнее, чем маленькие, и потому на них гораздо удобнее наблюдать, что при этом происходит. Вот в этом стеклянном ящике у меня вода, окрашенная в синий цвет. На ее поверхности плавает керосин. Мне пришлось для этого опыта сделать керосин более тяжелым, подмешав к нему дурно пахнущую и огнеопасную жидкость — сероуглерод.

Вода лишь едва-едва тяжелее этой смеси. Погрузим в воду трубку, дадим ей наполниться и затем, подняв ее, будем медленно, по каплям, выпускать воду в керосин. Образуются крупные капли размером в двухкопеечную монету, и, когда каждая из них достигнет своей предельной величины, у нее начинает образовываться вверху шейка, которая вытягивается падающей каплей в маленький цилиндр. Вы заметите, что жидкость шейки в свою очередь собирается в маленькую капельку, которая падает сейчас же вслед за большой. Весь процесс протекает достаточно медленно, и вы можете проследить его. Если я снова наполню трубку водой и быстро выну ее из жидкости, то вслед за трубкой вытягивается водяной цилиндр, который разбивается на шары, как вы легко можете видеть (рис. 33).