Мыльные пузыри

Бойс Чарльз Вернон

В струе воды диаметром в один миллиметр образующиеся на струе шейки, как бы они ни были ничтожны, в течение каждой сороковой доли секунды углубляются на величину, в тысячу раз большую. Таким образом нетрудно понять, что такая струя воды распадается на капли, прежде чем она упадет на несколько сантиметров. Свободные водяные капли пульсируют со скоростью, которую можно установить следующим образом. Капля в 50 миллиметров диаметром совершает полное колебание в течение одной секунды. Если диаметр капли уменьшить до одной четверти прежней величины, время (период) одного колебания сократится до одной восьмой, или, если диаметр сократится до одной сотой, время одного колебания уменьшится до одной тысячной, и т. д. [7] . То же самое отношение между диаметром и временем разрывания существует и у цилиндрического

столбика воды. Мы сразу можем видеть, как быстро будут пульсировать капли воды таких же размеров, как капельки жидкости на нитях паутины, если изменить их форму и затем внезапно предоставить самим себе. Если предположить, что диаметр капельки достигает одной тридцать второй доли миллиметра, а в действительности он даже меньше, то он составит одну тысяча шестисотую часть диаметра капли в 50 миллиметров, которая совершает одно колебание в течение секунды. Она должна поэтому пульсировать в шестьдесят четыре тысячи раз быстрее, или шестьдесят четыре тысячи раз в секунду.

7

Время колебания определяется выражением 1/125 X г·3/2, где r — диаметр капли, измеренной в миллиметрах.

Водяные капельки малых размеров с диаметром, меньшим одной сто двадцатой доли миллиметра, должны пульсировать полмиллиона раз в секунду под одним только влиянием слабой упругой оболочки воды. Мы видим таким образам, как могущественно влияние слабой упругой перепонки воды на водяные капли, если они достаточно малы.

Теперь я устрою маленький фонтан и дам возможность падающей струе ударять в подложенный внизу лист бумаги. Вы видите сейчас и самый фонтан и его тень на экране. Вы замечаете, что вода выходит из трубочки в виде гладкого столбика, который начинает в этом месте сверкать, и вот отдельные капли барабанят на большом пространстве по бумаге (рис. 38).

Рис. 38.

Почему же капли барабанят? Вся вода вырывается в виде струи в одном и том же направлении, и все же на небольшом расстоянии отдельные капли уже перестают следовать по одному и тому же пути. Но теперь, вместо того чтобы объяснить это, а затем показывать опыты для проверки этого объяснения, я хочу отказаться от обычного порядка и показать сначала два- три опыта, которые — я думаю, вы согласитесь, — покажутся чуть ли не чудесными.

Вы видите сейчас, что струя воды разбрасывается по всем направлениям, и слышите, как капли барабанят по бумаге. Но вот я вынимаю из кармана палочку сургуча, и вдруг все переменилось, хотя я нахожусь на некотором расстоянии от фонтана и ни к чему не прикасаюсь. Вода перестает разбрасываться; она льется непрерывной струей (рис. 39) и падает на бумагу, производя громкий грохочущий звук, который напоминает шум грозового ливня.

Рис. 39.

Я подхожу немного ближе к фонтану, и вода снова разбрасывается, хотя теперь совершенно иным способом. Падающие капли теперь значительно больше прежних. Как только я прячу сургуч, струя воды приобретает прежний вид, но стоит вынуть сургуч — и вода опять льется в виде сплошной струи.

Теперь вместо сургуча я воспользуюсь коптящим пламенем, которое легко получить, если опустить кусочек ваты на палочке в бензол, а затем зажечь ее. Пока я держу пламя вдали от фонтана, не замечается никаких перемен, но в тот момент, когда я подношу пламя близко, так, чтобы вода проходила через него, струя воды перестает разбрасываться; вода стремится в виде сплошной линии и падает темной грязной струей на бумагу. Самого ничтожного количества масла, впущенного в струю воды при помощи тоненькой, как волос, трубочки, достаточно, чтобы получить тот же самый результат.

Теперь на другом конце стола я заставляю звучать камертон. Вид фонтана не изменился. Но вот я прикасаюсь к подставке камертона длинной палкой, другой конец которой прикасается к носику прибора, откуда бьет фонтан. Снова вода собирается в сплошную струю, и бумага, на которую падает вода, гудит в той

же ноте, как и камертон. Если я изменяю скорость струи, вы видите, явление снова меняется, но эта струя никогда не станет похожей на струю, не подвергающуюся действию музыкального звука. Порою струя разбивается на две или на три, порою на еще большее число отдельных струй, как будто бы они выходят из нескольких трубок различного размера и притом в разных направлениях (рис. 40).

Рис. 40.

Действие различных нот может быть легко обнаружено, если кто-нибудь пропоет их перед куском дерева, поддерживающим трубочку, через которую бьет фонтан. Я произведу шумы различной высоты, которые для этой цели, пожалуй, лучше музыкальных звуков, и вы видите, что с каждым новым звуком фонтан приобретает иной вид. Многих, вероятно, удивит, каким образом такие ничтожные причины — кусок сургуча, коптящее пламя, масло или более или менее музыкальный шум — могут давать такой загадочный результат, однако, объяснение этого явления не так трудно, как можно было бы ожидать.

Вспомним, чт'o я говорил относительно столбика жидкости цилиндрической формы. Если длина его немного больше чем в три раза превосходит диаметр, он не в состоянии сохранять свою форму; если сделать так, чтобы длина его стала значительно превышать его диаметр, он распадется на ряды капель. Теперь, если каким-либо путем образуется ряд шеек на цилиндре с промежутками, меньшими, чем три диаметра, то некоторые из этих перетяжек исчезнут, потому что часть цилиндра, длиной меньше трех диаметров, устойчива. Если перетяжки получатся на расстояниях, приблизительно равных трем диаметрам (случай неустойчивой формы), то шейки с течением времени будут перетягиваться все сильнее, и, наконец, струя разорвется, образуя отдельные капельки. Если же шейки возникнут на расстояниях, удаленных друг от друга более чем в три диаметра, тогда цилиндр также разорвется вследствие сужения этих шеек. Легче всего он разорвется на капли тогда, когда шейки окажутся одна от другой как раз на расстоянии четырех с половиной диаметров. Другими словами, если фонтан будет бить из трубочки, находящейся в полном покое, струя легче всего будет разбиваться на капли на расстоянии в четыре с половиной диаметра.

Эта струя разобьется на большое число малых капель или на малое число больших капель в зависимости от того, где будут образовываться едва заметные перетяжки при легких нарушениях равновесия струи. Когда мы заставляем фонтан бить из трубочки, укрепленной насколько возможно неподвижно, то достаточно случайных сотрясений всевозможного рода, чтобы они вызвали на вытекающем цилиндре легкие сужения и расширения на различных расстояниях друг от друга. Тогда струя разбивается на капли различных размеров, отделенные одна от другой неодинаковыми промежутками. Перед разделением этих капель образуются, как вы видели, перетяжки, причем упругость поверхностной перепонки перехвата тянет капли навстречу друг другу; так как в воздухе они могут свободно двигаться, то задняя капля должна стремиться вперед, а та, что находится впереди, отставать; таким образом, эти капли, если только они не будут совершенно сходны между собой по размерам и разделяющим их промежуткам, начнут вскоре сталкиваться одна с другой. Естественно предположить, что они, сталкиваясь одна с другой, будут сливаться вместе, но я могу вам сейчас показать, что этого не происходит: они отскакивают одна от другой благодаря упругости поверхностного слоя. Очевидно, когда образуется целый ряд капель различной величины и с неодинаковыми промежутками между ними и эти капли часто сталкиваются между собой, такие капли будут разлетаться в разные стороны и падать на широкую площадь подложенной внизу бумаги, как вы только что видели.

Какое же действие оказывают на струю палочка сургуча, коптящее пламя или масло? Каким образом музыкальный звук может остановить разбрасывание капель? Возьмем сначала палочку сургуча. Кусок сургуча, потертый о суконную материю вашего костюма, электризуется и начинает притягивать кусочки бумаги. Наэлектризованный сургуч, действуя на водяные капли, помогает их взаимному притяжению, правда, очень слабому, но все же достаточному, чтобы помочь им преодолеть сопротивление разделяющего их слоя воздуха и слиться вместе. Вот я поместил перед фонарем две струи чистой воды, бьющие из разных сосудов, и вы видите, что они отскакивают одна от другой (рис. 41).