Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Распаду струи предшествует появление выпуклостей и сужений, которые увеличиваются вплоть до отделения капель. Сверхбыстрая фотосъемка показывает, что между двумя каплями нормального размера образуется небольшая капля, подобная уже известному нам «шарику Плато». Действительно, прежде чем отделиться, большие капли разделяются длинным и тонким цилиндром, который после окончательного отделения капель и образует «шарик Плато». Поведение струи во времени оказывается довольно сложным. Капли становятся то удлиненными, то сплющенными, проходя промежуточную сферическую форму. Эти колебания можно изучать либо с помощью метода скоростной фотосъемки, либо куда более давним, изобретенным Плато методом стробоскопии, при котором движущийся объект освещается периодически, однако лишь в течение кратких мгновений.

Первые наблюдения за распадом струи жидкости под влиянием звука были выполнены французским физиком Феликсом Саваром (1791–1841), чьим именем впоследствии была названа единица измерения, используемая для оценки высоты музыкальных нот. Ученый заметил, что возбуждение вблизи струи музыкального звука подходящей частоты усиливает ее фрагментацию: цилиндрическая часть струи практически исчезает, она начинает делиться на капли с самого верха. Согласно Савару, будущие капли начинают формироваться в струе уже сразу после ее выхода из крана. Поначалу это простые выпуклости, становящиеся все более и более выраженными по мере падения жидкости до точки, где они полностью разделяются. Эти близкие друг к другу выпуклости (илл. 12) производят слабый, но четко определенной частоты звук. Ученый предположил, что музыкальная нота, звучащая в унисон с этими колебаниями, оказывает особое влияние на струю и разрывает ее на вереницу капель!

12. Тонкая цилиндрическая струя воды, чтобы минимизировать свою поверхностную энергию, распадается на капли (a). При определенных условиях между каждой парой больших капель возникает небольшая капелька (так называемый спутник Плато). Из-за деформации в момент отрыва капля падает колеблясь (b)

Британский физик Джон Тиндаль (1820–1893) продолжил опыты Савара с прозрачной цилиндрической струей 27-метровой высоты – такая струя под воздействием звука органной трубы становилась мутной и распадалась на множество капель. Тиндаль лил воду в широкий сосуд, располагая его на разной высоте, выше или ниже точки, в которой струя мутнела. Вот что он обнаружил: «Когда нисходящая струя пересекает поверхность жидкости выше “точки перерыва”, причем давление не слишком сильно, то она входит в нее молча; но когда эта поверхность пересекается со струей ниже точки перерыва, то слышится журчание и появляется множество пузырьков».

Приглашаем вас, дорогие читатели, провести два эксперимента на вашей кухне (необязательно доводя их до совершенства, как Плато; см. главу 6, «Капающий кран»).

Опыт 1

Устранение действия гравитации на капли

Наполните маслом узкий стакан высотой не менее 10 см, затем влейте в него с помощью пипетки или коктейльной соломинки спирт, смешанный с водой (не менее 70 % спирта), предварительно его подкрасив. Маленьким каплям потребуется несколько секунд, чтобы достичь дна, более крупным – чуть меньше секунды, но вам хватит времени, чтобы проследить за ними. Как заметил Плато, вы получите довольно большие капли (диаметром около сантиметра) сферической формы, в то время как капли воды того же размера в воздухе оказались бы сильно деформированными силой тяжести. Это и неудивительно: если ввести характеризующую такие капли капиллярную длину, определяемую формулой (1), то в знаменателе последней для капли, пребывающей в масле, следует заменить плотность воды на разницу плотностей спиртового раствора и масла. Понятно, что такая капиллярная длина окажется намного больше, чем вычисленная для воды. Кроме того, вы можете оценить и скорость падения капель. Сравните ее с величиной, полученной по формуле Стокса, о которой мы поговорим в главе 15, «Движение пузырьков и турбулентность».

Опыт 2

Демонстрация неустойчивости Рэлея – Плато

Медленно, как можно более плавно откройте кран. Из него начнут падать капли. Откройте его чуть сильнее, так, чтобы получить очень тонкую и непрерывную струю воды. Для того чтобы продемонстрировать распад струи из-за неустойчивости Рэлея – Плато, возьмите одну из пластиковых карт, которые в таком количестве вторглись в современную жизнь, и вставьте ее в струю воды на достаточном расстоянии от крана. При этом вы услышите звук падающих капель, а ваши пальцы, держащие карту, почувствуют легкое дрожание! Эти явления исчезнут, если подставить карту под верхнюю часть струи (см. илл.).

Цилиндрическая струя воды через несколько сантиметров от истока распадается на капли

Это подтолкнуло американского изобретателя Александра Белла (1847–1922) к созданию водного микрофона (илл. 13). Его струя была намного меньше 27 м в высоту и падала на резиновую мембрану вместо поверхности жидкости. Мембрана была натянута в верхней части трубки, в которую была вставлена другая трубка в виде воронки. В соответствии с экспериментами Тиндаля, нижняя часть струи воды делилась на капли и при достижении мембраны производила звук. Благодаря резонатору, которым являлись трубка и воронка, стук капель усиливался. Камертон, вибрировавший рядом с тонкой струей воды, вызывал головокружительный «капельный хор»; звук поднесенных к струе часов становился слышным во всей комнате. В конце XIX века немецкий популяризатор науки Донат утверждал, что он пробовал использовать такое устройство для передачи своего голоса. Струя действительно «заговорила», но так нечетко и столь хриплым и неприятным голосом, что все помощники ученого разбежались.

13. Водный микрофон Александра Белла

Водный микрофон не самое известное изобретение Александра Белла, прославившегося созданием телефона. Впрочем, следует заметить, что авторство на изобретение телефона ему, по-видимому, следует разделить с Элишей Греем (1835–1901) и Антонио Меуччи (1808–1889). Через много лет после конфликта из-за патента на это изобретение потомкам осталось известно преимущественно имя Белла.