Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Волынский Марк Семенович

Мы сбились с ног в поисках материалов для улав­ливания капель. Пробовались новые по тем временам пластики и полимеры, пористый пенопласт, желеобраз­ные среды (гели), смолы, различные пасты вплоть до гуталина, который был тогда дефицитом.

Пока же опыты ставились на модельной установке, капли распыленной воды улавливались в касторо­вое масло. Каждую пробу, приходилось утомительно и кропотливо обрабатывать под микроскопом. Способ годился для условного сопоставления форсунок по качеству распыливания, но не для измерения частиц реального топлива в камерах. Кто-то однажды пред­ложил:

— Хватит ловить капли, как мух на липкую бума­гу. Применим метод моментальной, искровой фото­графии.

Он уже тогда был достаточно усовершенствован. Время экспозиции,

то есть вспышки искры, составляло 10^{– 5}—10^{– 6} с. Экспериментатор, жаждавший остановить мчащуюся каплю, мог скомандовать: «Остановись, мгно­вение, ты прекрасно!» Метод позволил впоследствии многое разглядеть и понять в самом явлении распада, но для систематических измерений не пошел. Вступили в противоречие два главных требования — точность за­меров и массовость объектов. Для хороших измерений нужен увеличенный портрет капли. По законам опти­ки укрупнение масштабов изображения оплачивается уменьшением глубины резкости и сужением поля зре­ния. Из массы летящих капель объектив фотоаппарата выберет несколько резко сфокусированных, остальные получатся размытыми пятнами — не напасешься дефи­цитной мелкозернистой пленки.

Тут как раз и подоспело мое предложение использо­вать радугу. В литературе по метеорологической оптике я отыскал теорию радуги, ее создал известный английский астроном и физик Эри (1801—1892).

Про­стой принцип этой дивной архитектуры из солнечного света и капель совсем нетрудно понять. Наблюдатель видит радугу, стоя спиной к солнцу (рис. 6). Лучи солнца претерпевают в каплях полное внутреннее отражение и возвращаются обратно к зрителю под определенным углом. Это сопровождается дисперсией — капли «рабо­тают» как миниатюрные призмы, разлагая свет на цве­та исходного спектра, от красного до фиолетового. На рис. 6 одна из капель и ход лучей в ней показаны круп­ным планом.

Вследствие интерференции световых волн интенсивность возвращенного света имеет для каждого цвета ряд максимумов, которые соответствуют определенным углам наблюдения. Только эти максимумы и может ви­деть глаз, слабые лучи всех других направлений не дают зрительного восприятия. Но максимумы — от пер­вого к последующим — в каждом цветовом ряду резко слабеют, и различать вторые, третьи и т. д. глазу стано­вится трудно. Поэтому мы обычно видим одну арку, так называемую главную радугу — это сомкнутые по­лосы, соответствующие первым максимумам всех цветов; она всегда наблюдается под углом примерно 42°.

Изредка в очень чистом небе видна и вторая многоцвет­ная арка — от капель, где свет прошел двойное внут­реннее отражение.

Такая интерференционная картина обладает особен­ностью — стоящий в данном месте наблюдатель видит радугу только от определенной группы частиц. Глаз служит вершиной конуса с углом 42°, а все «избирае­мые глазом» капли дождя образуют круг в основании конуса.

Первым дал объяснение радуги знаменитый фран­цузский философ, математик, физик и физиолог Рене Декарт в 1631 году. Не зная еще явления дифракции, он имел терпение и трудолюбие построить чисто геоме­трически ход 10 000 лучей, прошедших через каплю. Обнаружилось, что только небольшая группа лучей под номерами от 8500 до 8600 выходит из капли компакт­ным пучком, давая примерно одинаковый угол откло­нения, порядка 42°, все остальные расходятся широ­ким веером, то есть рассеиваются.

Земной зритель не может видеть всю окружность, а только ее верхнюю часть. На самолете другие гео­метрические условия обзора: они позволяют объять глазом весь круг (одно из бесплатных преимуществ авиапассажира, которое Аэрофлот забыл указать в сво­их проспектах и рекламе).

Радуга принадлежит к «призракам, идущим за то­бой». Вы отходите — она перемещается за вами на дру­гой Слой капель, строго соблюдая постоянство угла зрения.

Солнечные и лунные дорожки на воде «из той же компании»: помните, они тоже всегда следуют за вами; причины аналогичные — максимум интенсив­ности света, отраженного от ряби волн, соответствует определенному углу зрения.

Теория Эри мне очень понравилась. Все было так красиво и просто, а главное, подтвердилась моя надеж­да: теория давала нужную зависимость. Это была связь углового расстояния между соседними максимумами световых интенсивностей (для каждого цвета) и диа­метром капли. «Теперь ясно, как ставить опыт,— мне необходима монохроматическая (одноцветная) радуга».

Я работал все дни до 10 вечера, и в неделю мы со­брали простую оптическую установку в темной комнате на пятом этаже. Всем не терпелось проверить правиль­ность идеи. «Солнцем» служил межэлектродный про­межуток вольтовой дуги, помещенный в фокусе большо­го конденсора. Красный светофильтр (иных не на­шлось) отсекал все другие цвета, потому и требовался очень яркий источник. Под форсункой стояло устрой­ство с улавливателем капель в касторовое масло для контрольного измерения. Все было готово. Мы застыли в полной темноте и тишине ожидания. Сердце у меня колотилось, казалось, о стены комнатки — выйдет или не выйдет этот первый в жизни самостоятельный эксперимент?

— Давай давление воды... держи десять атмосфер, включай рубильник...

На бисерных нитях конуса распыливания небольшой центробежной форсунки повисли бледные, но ясно раз­личимые красные дуги комнатной радуги, разделенные темным промежутком, как и предписывала теория. Мне самодельная радуга показалась прекрасней многоцвет­ной, естественной.

Все были довольны — «момент истины», когда реаль­ность совпадает с предсказанием теории, доставляет какую-то детскую радость. Дескать, фокус удался, хотя вы читали о нем и знаете, как это делается. На другой день я вычислил диаметры капель по формуле радуги, через измеренное угловое расстояние между ее первым и вторым кольцом. Потом мы обработали пробу капель, уловленных в касторовое масло,— данные обоих изме­рений неплохо согласовывались.

Итак, мои радужные надежды оправдались. Метод давал величину, близкую к среднеарифметической вели­чине диаметров капель в спектре распыливания.

Природа образует радугу не на любой жидкости — все зависит от величины коэффициента преломления. Но керосиновая радуга оказалась в числе «разрешен­ных». Это уже сулило практический результат, так как керосин применялся в ТРД. (Правда, запротестовали пожарники, требуя для опытов более сложной взры­вобезопасной установки.) Конечно, до решения всей капельной проблемы было еще очень далеко. Для понима­ния физики распыливания и создания расчета смесеоб­разования требовалось определение всего спектра час­тиц. Но теперь хоть можно было определять и довольно просто средние значения диаметров капель спектра.

Глава II

ОХОТА ЗА КАПЛЕЙ

В поисках уравнений

Начальник одной из лабораторий ЦАГИ и наш научный руководитель Генрих Наумович Абрамович предложил мне написать статью. Я писал ее в состоянии внутрен­него подъема. Мне нравилась радуга, ее теория, мир капель и вообще весь мир. Статья содержала такой перл: «Теория Эри по своей красоте и изяществу может соперничать с явлением, ею описываемым». Мой това­рищ по работе инженер Л. А. Клячко, острослов, не без ехидства выдернул эту фразу из текста, как смешную редиску из грядки, и бегал с нею по всем комнатам, по­тешая сотрудников. Через несколько лет мы поквита­лись. Отыскался в его статье соответствующий перл: «Кривая концентраций топлива для форсунки имеет двугорбый характер» (автор имел в виду наличие двух максимумов).