Необыкновенная жизнь обыкновенной капли
Шрифт:
Наш дважды повторенный расчет дает совсем другую цифру. Надо же было Раисе ошибиться так хитро! Непостижимо: ошибка по заказу! (Теперь я никогда не говорю технику наперед предполагаемый результат). Психолог, вероятно, объяснит такое явление скрытой работой подсознания, сознанию это просто не под силу. Расчетчик обычно не размышляет над результатом, он ему безразличен. Да и не так просто в ходе неоконченного расчета «подтасовать» итог. Из психологии известно — наши ошибки и обмолвки совсем не случайны. Однажды мы все ожидали премии за окончание срочных работ, и машинистка в научном отчете напечатала: «Экспериментальные точки хорошо ложатся на премию», вместо «на прямую» — неплохо сострила.
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
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
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 Pr в лобовой точке капли, где оно наибольшее и равно скоростному напору u2/2 (струйка тока газа полностью тормозится). Давление поверхностного натяжения определим по известной формуле Лапласа для жидкого шара Рж = 4/а. Величина отношения давлений (с точностью до постоянных коэффициентов) дает комплекс, называемый критерием, или числом Вебера We:
Рг/Рж We = u2а/.
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).
Теперь новое число приобрело ясный физический смысл критерия деформации и дробления летящей капли. Критической фазе отвечает его минимальное дробящее значение (рис. 17).
Все добытые в опыте цифры, как льдинки мальчика Кая в андерсеновской «Снежной королеве», сами сложились в нужной комбинации: Кай прочел слово «вечность», а мы — слово «истина». Это слово нас вдохновляло, хотя речь шла всего лишь об одной маленькой научной истине из мира таких же маленьких капель.
Рис. 17. График дробления капель в потоке газа:: 1 — режим критик ческой деформации, 2 —режим распыливания
***
Найденная формула безотказно действовала для всех не очень вязких жидкостей и годилась для разных видов топлива реактивных двигателей. В случае вязких жидкостей дело усложнялось; например, для касторового масла критерий раздвоения оказался много больше. Это и понятно: здесь демпфирующие силы, кроме поверхностного натяжения, включают и силы вязкости жидкости, которые для других жидкостей можно было не учитывать.