Яков Гегузин - Капля

На доске появились элементарные формулы — Френ­кель «оценивал» атомный вес того элемента, ядро которого должно потерять устойчивость и разделиться на два дочер­них. Атомный вес такого элемента оказался близким 100. Оценка озадачивающая, так как если она верна, то все элементы, атомный вес которых больше 100 , должны были бы потерять право на существование, а в периодиче­ской системе элементов фигурируют более тяжелые эле­менты, вплоть до урана, атомный вес которого 238. Что- то, видимо, в оценке не учтено. Что же? Френкель уже го­ворил о том, что, превращаясь в две сферические дочерние капли-ядра, материнское ядро должно постепенно вытяги­ваться. Это значит, что поверхность, а с ней и поверхност­ная энергия должны увеличиваться. Следовательно, на пути к процессу деления природой поставлен барьер, который необходимо преодолеть. Величину этого барьера можно вычислить, и во время лекции профессор это сделал. Он показал, что по мере увеличения радиуса материнского ядра-капли этот барьер постепенно снижается и становит­ся практически равным нулю для ядра урана. Вот почему все, что можно примыслить себе за ураном, не должно быть долго жизнеспособным, а менделеевская таблица «ста­бильных» элементов должна оканчиваться именно ураном.

Вернемся к водопроводному крану. Капелька, форми­рующаяся на его конце, подвержена действию силы тяжести, которая деформирует каплю. Действие ее подобно дейст­вию электростатических сил отталкивания между двумя половинками заряженного ядра. Таким образом, если ус­матривать аналогию между развалом ядра и отрывом капли от кончика водопроводного крана, надо примыс­лить себе, что в кране остается капелька, подобная той, которая от него оторвалась.

После лекции профессора Френкеля прошло более трид­цати лет. Капельная модель ядра уточнена, улучшена, а глубокая аналогия, навеянная видом капли на кончике крана или, быть может, дождевой каплей, в науке осталась прочно. Эта аналогия помогла решить задачи общечело­веческой значимости.

Образ капли близок творчеству Френкеля, к каплям он обращался много раз в разные годы и по разным поводам.

Вначале совсем очевидное утверждение: если в силу каких- либо обстоятельств капля приобрела несферическую фор­му, это означает, что ее поверхность увеличилась по сравнению с поверхностью сферы и, следовательно, увели­чилась и ее поверхностная энергия. Или: если в силу ка­ких-либо обстоятельств несферическая капля вдруг при­обретает сферическую форму, вследствие уменьшения по­верхности должна выделиться избыточная энергия.

Допустим, что нам удалось осуществить преобразова­ние формы капли от несферической к сферической, уда­лось предоставить возможность избыточной поверхност­ной энергии освободиться, выделиться. Кстати, эта энер­гия может оказаться совсем немалой. Ее очень легко вы­числить, если задаться объемом капли и ее начальной фор­мой. Вот пример, который дальше нам пригодится. Круп­ная капля ртути весом 20 г на стеклянной пластинке имеет форму лепешки, близкую к форме цилиндра, радиус ко­торого 1,2 см, а высота 0,35 см. Если эта капля превра­тится в сферу, то при этом освобождается энергия W = 1060 эрг.

Куда же эта энергия денется, на что она способна, что может произойти после того, как капле эта энергия в качестве поверхностной станет не нужна? Какие процессы могут сыграть роль «стоков» выделившейся энергии? Очевидно, некоторая часть энергии должна будет израс­ходоваться на то, чтобы осуществить перемещение ве­щества капли, в результате которого капля станет сфери­ческой. Дело в том, что жидкость, из которой капля состо­ит, обладает некоторой вязкостью, и поэтому всякое изме­нение формы капли связано с необходимостью преодо­леть сопротивление вязкой жидкости ее деформированию, т. е. с необходимостью совершить некоторую работу про­тив сил трения. Кроме того, часть освободившейся энер­гии может израсходоваться на нагрев капли. Можно ожи­дать, что, приобретая сферическую форму, капля будет сама себя подогревать. Кроме того, может нагреваться и пространство, окружающее каплю. В этом случае сфероидизирующаяся капля будет играть роль своеобразной печ­ки, отапливающей пространство вокруг себя.

Кроме названных «стоков» для избыточной энергии можно указать еще один — в основном о нем далее и бу­дет разговор. Если приплюснутая несферическая капель­ка лежит на твердой пластинке и если почему-либо она должна преобразовать свою форму из несферической в сферическую, можно ожидать, что в момент преобразова­ния она оттолкнется от пласт ин ки и подскочит вверх, как может подскочить каждый из нас, оттолкнувшись от земли. Для совершения такого скачка капля, естествен­но, нуждается в энергии, которая может быть частью энер­гии, выделившейся при сокращении поверхности капли.

Как видите, стоков энергии много, и, очевидно, все «работающие», но скорость их действия и «поглощатель­ная способность», конечно же, различны. Совершенно яс­но, что капля не подпрыгнет, если изменение ее формы будет происходить медленно. В этом случае принципиаль­но возможный расход энергии на скачок не произойдет. И на борьбу с сопротивлением жидкости изменению ее формы тоже будет расходоваться мало энергии, потому что этот расход, как оказывается, тем больше, чем быстрее должно произойти изменение формы. При медленной сфероидизации капли выделяющаяся энергия была бы израсходована в основном на ее нагрев и нагрев окружаю­щего пространства. Увидеть, как капля подпрыгнет, мож­но лишь при условии, что преобразование ее формы будет происходить быстро. Если, присев на корточки, мы будем медленно распрямляться, прыжок не получится: чтобы подпрыгнуть, надо, быстро распрямляясь, оттолк­нуться от земли. Но что значит «быстро» применительно к капле, которая изменяет свою форму? Капле, чтобы под­прыгнуть, надо побороть силу тяжести, препятствующую прыжку.

На каплю в момент ее прыжка действуют две силы.

Итак, возникает задача, которую можно сформули­ровать следующим образом. Допустим, что вся энергия, которая выделяется в процессе сфероидизации капли, должна быть израсходована только на ее подпрыгивание. Пусть другие стоки энергии каким-то образом запрещены. Спрашивается, при какой длительности процесса преоб­разования формы капли в сферическую капля оторвется от твердой пластинки, на которой она лежит? Решить такую задачу просто. Это могут сделать восьмиклассники в на­чале учебного года, узнав, что кинетическая энергия тела равна половине произведения его массы на квадрат скоро-