Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Волынский Марк Семенович

Переход к более мелким частицам серьезно услож­нял эксперимент. Но прежде всего мы нуждались в этих самых мелких частицах. Так в пятидесятые годы возник­ла проблема точно калиброванных капель. Требовался Прибор, «штампующий» строго однородные капли заранее Известного диаметра, хотя бы до 100—200 микрометров.

Обычные пипетки давали капли порядка два-три миллиметра. «Штучное» производство ртутных капель под микроскопом в первых опытах было решительно пре­сечено нашей охраной труда.

Как же получить однородные мелкие капли? Каза­лось бы, чего проще. Вытянуть на горелке носик пипет­ки хоть до толщины волоса — вот и устройство для по­лучения самых маленьких капель. Увы! Мы уже не раз могли убедиться в сюрпризах мира капель. Помните, в вопросе о форме жидкой частицы нас обманула интуи­ция, сейчас обманывает

так называемый здравый смысл. В действительности получится вот что: на кончике тон­чайшего капилляра все равно соберется крупная капля жидкости и сама полезет вверх, нанизываясь на капил­ляр, как бусинка. Большие капиллярные силы высасы­вают жидкость на внешнюю поверхность стекла, и уже не поймешь, жидкость в капилляре или капилляр в жид­кости. По водяной пленке и поднимается капля, легко преодолевая силу тяжести; стряхнуть ее очень трудно, она крепко держится за трубочку.

Тогда решили обмануть капиллярность и испробо­вать не трубочку, а распылитель (форсунку) с микро­каналом длиною не менее десяти диаметров для равно­мерного течения. Это вызвало технологические труд­ности — дефицитные сверла в десятую долю миллиметра безбожно ломались. Когда их осталось всего десять, на­чальник нас просто выгнал из инструментальной кла­довой.

Кто-то вспомнил новинку тех лет, а теперь широко распространенный метод электроэрозии, он позволял делать ранее невозможное — сверлить «кривое ружье» или тончайший канал. Я однажды наблюдал работу электроэрозионной установки: было весело глядеть, как голубые микромолнии били с острия простой проволоч­ки в деталь (оба являлись электродами электроцепи), расплавляя материал в маленькой точке поверхности и вырывая капельки металла. Проволочка трудолюбиво прогрызала себе путь, погружаясь в канал. Изобретате­ли — чета Лазаренко — работали раньше у нас. Они, между прочим, опубликовав статью в журнале, не удосужились оформить авторское свидетельство. Когда встал вопрос о продаже установки за границу, там предъявили патент (по существу, присвоивший чужую идею) и предложили купить установки у них. Как известно, теперь все предусмотрено для исключения таких казусов: наша страна — участник международного соглашения об авторском праве.

Начальник электроэрозионной мастерской инженер Шмуклер был энтузиастом метода. Обнадеженные и веселые, мы моментально составили служебную запис­ку: «Просим прошмуклеровать отверстия в распылите­лях...» Наш начальник сектора, не читая, подписал (на что и рассчитывалось). Шмуклер сначала рассердился, потом рассмеялся — к вечеру мы получили распылите­ли. Термин «прошмуклеровать» с чьей-то легкой руки вошел в быт института.

Увы, форсунка с тончайшим отверстием не оправда­ла надежд. Высокое гидравлическое сопротивление канала затрудняло подбор давления подачи, а требова­лась мизерная скорость истечения. Струйка то прерыва­лась, то текла (по выражению механиков) «сикось- накось» — эрозия создавала слишком неровную поверх­ность, капли получались неодинаковыми.

Придумать с ходу калибровочный прибор не уда­лось, оказалось непросто реализовать ходячую поговор­ку: «Похожи как две капли воды». Требовалась новая идея. «Попробуем подключить материальный сти­мул»,— решил я и уговорил наше начальство объявить внутриинститутский конкурс с премиями на лучшую принципиальную схему прибора. Жюри отобрало два предложения. Одно устройство тут же окрестила «Жбан Гартьера» по фамилии автора — механика стен­да. Внутри металлического цилиндра из жести со щелью в верхнем дне устанавливалась форсунка, которая пы­лила вертикально вверх. Сила тяжести сепарировала капли по массе — мелкие опадали, более крупные били выше. Регулируя давление подачи и высоту расположе­ния форсунки, можно из спектра выделить наиболее дальнобойные капли диаметром до 100—150 микромет­ров. Вдоль щели подавалась небольшая струя воздуха, транспортировавшая каплю к стендовой установке. Устройство вообще работало, но оказалось очень слож­но отобрать одну-единственную частицу стабильного размера.

Другой оригинальный прибор был предложен моло­дым одаренным инженером А. В. Ливенцовым. Прибор быстро вошел в практику, а изобретатель получил авторское свидетельство. Принцип действия заключался в следующем (рис. 19):

Рис. 19.

Генератор однородных капель: 1 — сосуд с жидкостью, 2 — подающая трубка, 3 — боек, 4 — кнопка включения, 5 — электро­магнитное реле, 6 — реле питания, 7 — сажевый экран, 8 — фазы каплеобразования, 9 — шарик Плато

боек совершает возвратно­поступательное движение, ударяя в жидкий мениск трубки, на обратном ходе острие вытягивает жидкий столбик, при разрыве которого образуется одиночная капля (шарик Плато) удивительно стабильного разме­ра. Подбирая внутренний диаметр трубки, высоту стол­ба жидкости в сосуде и форму бойка, можно было по­лучать капли любых размеров. Мы нажимали на кноп­ку, прибор «строчил» серией одинаковых капель или при отрывистом «стаккато» выдавал одну-единственную. Тогда это, возможно, был первый прибор, решающий столь просто и надежно задачу калибровки капель; мы тогда опередили зарубежную технику.

Позднее у нас и в иностранной литературе появи­лось описание значительно более сложного устройства типа «чертова колеса». В центр вращающегося со ско­ростью 40 000—60 000 оборотов в минуту диска подает­ся струя жидкости. Огромные центробежные силы, рас­тянув ее в тонкую пелену, отрывают волны колебаний с периферии диска в виде мелких постоянных капель. Конечно, никакие подшипники не выдерживают таких сумасшедших оборотов, и диск, вращаясь, висит на спе­циальной воздушной подушке.

Но почему все-таки удается получить одинаковые капли? Мысль изобретателя перехитрила природу, само­произвольно стремящуюся к статистическому беспоряд­ку спектра распыливания — принцип заключается во вмешательстве упорядоченного поля сил в хаос распа­да. В начальный момент, когда на жидкой поверхности развиваются колебания лишь одной наиболее неустой­чивой длины волны, центробежные силы захватывают ее и отделяют от жидкости раньше, чем разовьются дру­гие волны — источники капель всевозможных размеров.

В литературе был описан еще один метод получения одинаковых капелек: они выпадают в виде тумана из насыщенных паров. Но эта «туманная» установка от­пугивала своей сложностью и трудностью регулировки, о чем глухо упоминал сам автор. Другое приспособле­ние для получения однородных мелких капелек все-таки обуздало тонкий иглообразный капилляр — мелкая кап­ля с него сдувалась специально дозированным соосным потоком воздуха; впоследствии такое устройство при­годилось в опытах с испарением. Но это все появилось потом, а пока все мои надежды были связаны с прибо­ром Ливенцова.

Трудность вдруг пришла с неожиданной стороны: кое-кто из руководства стал возражать против продол­жения моей работы.

— Хватит рассматривать мелкую каплю крупным планом, у нас отраслевой, а не академический институт. Получен первый принципиальный результат, ну и хоро­шо. Пусть ученые-теоретики изучают общие закономер­ности, нам нужно делать не бумагу, а железо. Нельзя так долго исследовать один элементарный процесс: ско­рее пройти по всей цепочке и создать практический рас­чет камер сгорания.

В этом, конечно, содержалась своя логика, но была и другая, ее-то я и отстаивал со всем пылом и упорст­вом (после чего в нашей стенгазете появилась частушка «Почему Волынский с пылом занимается распылом?»).

Фронт науки — академической или прикладной — един; если на каком-то участке обозначился успех, про­рыв в неизвестное, надо его максимально развить, добиваясь возможно больших результатов, тогда они пригодятся не только в нашей отрасли, но и в других. Именно поэтому спустя некоторое время ко мне потяну­лись за консультацией не только из нашей, но и других самых разнообразных областей техники: двигателисты, теплотехники, химики, металлурги, которые теперь распыливают металл в порошковой металлургии. Были даже медики и биологи, интересовавшиеся мелкодис­персными эмульсиями для своих препаратов. Как все­гда, практике от науки нужно было одно: хорошая тео­рия или обобщение надежного эксперимента.