Яков Гегузин - Капля

Биение ртутного сердца. Железная игла касается макушки капли

Интересен механизм воз­никновения пульсаций в том случае, когда игла прикаса­ется к поверхности ртути не на контуре капли, а в ее центре, в макушке. Казалось бы, наступающее при этом повышение поверхностного натяжения должно сопро­вождаться поднятием макуш­ки и образованием ненарушающегося контакта с иглой. Если контакт ненарушающийся — пульсаций быть не может. В действительности, однако, происходит иное. Макушка капли чуть напол­зает на иглу, а затем под дей­ствием силы тяжести отрыва­ется от нее. Этот первый им­пульс дает толчок колебаниям. Капля раскачивается, «серд­це» начинает пульсировать.

Любопытная деталь: при переносе иглы с контура кап­ли на ее макушку частота пульсаций увеличивается. Это совершенно аналогично повышению частоты колебаний ги­тарной струны, если пальцем прижать ее к грифу посреди­не между точками закрепления. В случае капли — игла, а в случае струны — палец, создавая узел, уменьшают длину волны колебаний и, следовательно, повышают их частоту.

Необходимо подчеркнуть, что ртутное сердце отнюдь не вечный двигатель. Во время его работы расходуется энергия, выделяющаяся при химической реакции между ртутью, железом, соляной кислотой и двухромовокислым калием. В этой реакции расходуются исходные ком­поненты, и она прекратится, _ когда, скажем, будет съеден железный гвоздь. В «невечности» ртутного сердца можно легко убедиться, взяв вместо гвоздя тонкую проволочку. Скоро контакт между каплей и проволочкой перестанет воспроизводиться, так как кончик проволоки будет съеден. Чтобы «сердце» опять за­работало, надо проволочку придвинуть к капле: явно — не вечный двигатель!

Задумали мы снять кар­диограмму ртутного сердца. Много сведений из нее не из­ влечешь, разве только определишь количество пульсаций в секунду, а их можно просто посчитать, наблюдая за кап­лей, или для верности воспользоваться кадрами кинофиль­ма. И все-таки снять кардиограмму любопытно. У нашего лабораторного «сердца» диаметр капли ртути 4 см, игла касается его контура, и пульсирует оно с частотой 120 ударов в минуту.

Вначале решили воспользоваться работающим сердцем как прерывателем электрической цепи, регистрируя мо­менты включения и выключения с помощью самопишуще го прибора. От этой мысли, однако, отказались, так как любое электрическое вмешательство в ртутное сердце неизбежно исказит его пульсации. Поступили по-иному. Тоненький луч света направили на зеркальную поверх­ность пульсирующей капли, а отраженный от нее мечу­щийся луч подавал сигнал на самописец, который и записал кардиограмму. На кардиограмме видна последовательность чередующихся максимумов и минимумов, четких, строгих, периодических, без перебоев, на зависть иному человеческому сердцу.

Как капля жидкости могла оказаться внутри твердого кристалла? С ответа на этот вопрос и начнем очерк.

Начнем издалека, с момента зарождения кристалла. Представим себе, что будущий кристалл — пусть для оп­ределенности это будет кристалл какой-нибудь соли — должен зародиться и вырасти из ее водного раствора вследствие выпадения избыточной соли. Скажем, темпе­ратура раствора понизилась - и некоторое количество соли оказалось избыточным. Оно и является строительным ма­териалом для кристалла. Вначале появится микроскопи­ческий кристаллик — зародыш, а затем он будет подрас­тать по мере осаждения на нем атомов соли из раствора. В реальных условиях роста, где-то в земных недрах, обстоятельства могут сложиться так, что растущий кри­сталл случайно захватит в свой объем капельку мате­ринского раствора. Захватит и будет продолжать расти. И через некоторое время эта капелька окажется в объеме кристалла, вдали от поверхности: ведь любая точка в объе­ме кристалла некогда была на его поверхности.

Все может произойти и по иному механизму. Допу­стим, что кристалл будет расти в процессе замерзания раствора. Удобнее всего в качестве примера иметь в виду соленую морскую воду, которая с наступлением морозов превратится в кристаллы льда. Концентрация соли во льду в соответствии с законами физики немного ниже, чем в воде. Это значит, что, вырастая, кристаллы льда бу­дут оттеснять соль в воду. И еще из законов физики сле­дует, что, чем больше концентрация соли в воде, тем при более низкой температуре она кристаллизуется. Эти два следствия физических законов оправдывают существова­ние в кристаллах льда жидких капель раствора соли в воде: обогащенная солью вода кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура льда, в котором находится жидкое включение. А попасть в объем кристал­ла льда соленые капли могли так же, как и в предыдущем примере: растущий кристалл их мог случайно захватить.

Итак, в объеме кристалла имеется капелька насыщен­ного раствора его вещества. Вначале — о форме этой капельки. Если капля «маленькая» (в том смысле, который обсуждался в очерке об опыте Плато), ее форма будет такой, при которой энергия на границе капелька — крис­талл окажется минимальной. В опыте Плато капля жид­кости граничит с жидкостью, аморфное вещество с аморф­ным веществом. Это значит, что поверхностная энергия границы во всех направлениях одинакова, и поэтому наи­меньшей энергия всей границы будет тогда, когда наименьшей будет ее поверхность. Для этого капля дол­жна принять сферическую форму. Если же жидкая капля расположена в кристалле, аморфное тело граничит с крис­таллом, энергия границы жидкость — кристалл, как и поверхностная энергия границы кристалл — воздух, будет зависеть от направления. В этом случае наименьшей пол­ная энергия границы будет у капли несферической формы. Капля приобретает равновесную огранку, такую, какую продиктует ей равновесная огранка кристалла; например, капля в объеме кристалла каменной соли будет кубиче­ской, в других кристаллах она будет иметь более сложную форму — восьмигранника, пирамид, которые сложены ос­нованиями, и т. д.

«Немаленькая» капля деформируется силой тяжести. Это во всяком случае происходит с каплей, которая свободно лежит на твердой поверхности. И нет основания для того, чтобы капля в кристалле не испытывала на себе действия этой силы. Складывается непростая ситуация: капля стремится расплющиться, так как при этом понизится ее центр тяжести и уменьшится ее потенциальная энергия, а кристалл — сохранить полость, содержащую каплю, та­кой, при которой энергия ее поверхности будет наимень­шей. Любое изменение формы равновесной полости приве­дет только к увеличению ее поверхности, а значит и по­верхностной энергии. В этой противоречивой ситуации капля и кристалл находят оптимальное решение.