Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

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 ρ u 2/2(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 = ρ u 2а/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).