Необыкновенная жизнь обыкновенной капли - Марк Волынский

Капля, срывающаяся с пипетки или водопроводного крана, действительно имеет поначалу «каплеобразную форму» — тяжелая жидкость в «мешке» растягиваю­щейся капиллярной пленки, в первый момент скорость падения мала, и аэродинамические силы не оказывают влияния. Но может все-таки случиться, что летящая капля вытянется вдоль движения. Это произойдет, если силы трения, касательные к жидкой поверхности, пре­взойдут нормальные давления, например, для медлен­но движущейся вязкой капли или капли, «ползущей» в вязкой среде. Вопрос о форме капли в потоке совсем не прост — ему посвящены многие работы и тонкие экс­перименты. Выяснилось, что капля не сохраняет посто­янной формы — она «дышит», находится в состоянии колебаний. Мы видели: на поверхности движущейся капли силы в разных точках различны, значит, долж­ны возникнуть внутренние токи жидкости от большего к меньшему давлению. Опыт с мелким порошком вну­три жидкости показывает, что в капле возникают вихре­вые токи.

«Это все, может, и интересно,— скажет иной прагма­тически настроенный читатель,— но зачем нужны такие подробности?»

Нужны. Все для тех же камер сгорания, где при­ходится рассчитывать траектории капель. Траектории эти зависят от аэродинамических сил, от формы капли. Формулы механики полета любого тела, будь то само­лет или капля, содержат аэродинамический коэффици­ент сопротивления — Сх, который отражает силу сопро­тивления среды, направленную против скорости движе­ния тела. Он различен для тел разной формы. А где Сх, там и Су — коэффициент подъемной силы, действую­щей по нормали к скорости: в аэродинамике эти коэф­фициенты «ходят парами». Оба они определяют взаимо­действие воздуха и, например, летящего самолета. А мо­жет ли у капли быть Су? Иными словами, может ли горизонтально летящая капля вдруг пойти вверх? Мо­жет, если деформация ее относительно продольной оси несимметрична и в результате действующие на нее силы снизу и сверху окажутся неодинаковыми. Изредка на фотографиях наблюдалась траектория такой капли; какие-то причины вызывали несимметричную деформа­цию, и падающая в потоке капля вдруг взмывала вверх.

Вообще же скоростная фотография, не оправдавшая надежд как метод измерения капель, позволила понять механизмы каплеобразования, разглядеть много инте­ресного. Вот произошел рэлеевский распад медленной струйки: падающие капли причудливо колеблются, по­верхность принимает очертания сопряженных овалов и многоугольников — накладываются друг на друга коле­бания разных мод, то есть форм и амплитуд. За каж­дой каплей неизменным спутником следует маленький шарик Плато *. Если жидкость вязкая, например масло, колебания быстро затухают.

* См. МЭК — Шарик Ж. Плато.

Своеобразен многократно описанный процесс со­ударения капли с поверхностью жидкости. Здесь са­мое интересное — сохранение «индивидуальности» кап­ли, казалось бы, полностью исчезнувшей при ударе.

Подкрашенная красителем капля упала на жидкую по­верхность, возник кратер, по его краю поднялся венчик миниатюрной короны, а капля превратилась в тонкую пленку — подстилку на дне кратера. Ей пора исчезнуть, раствориться в окружающей жидкости. Но скорость гидромеханических процессов оказалась много больше диффузионных. Кинетическая энергия удара, как в сжатой пружине, перешла в давление поверхностного натяжения, оно приложено по краевому контуру пленки, закругленной тем больше, чем меньше радиус кривиз­ны. Под действием таких периферийных сил жидкость снова устремляется к центру, собирается в окрашенный шарик— значит, это те же молекулы, что и в исходной капле. Затем каплю поднимает над поверхностью острие жидкого столбика, образующегося вместо кратера. 

А вот другое явление: жидкая струйка обдувается воздушным потоком под углом 90° к ее оси; такая по­дача жидкости иногда применяется в камерах сгорания. Струйка изгибается, искровая фотография показывает, как при этом жидкий цилиндр сплющивается, превра­щаясь в тонкий лепесток, который распадается на кап­ли, уносимые воздухом (рис. 14). На рис. 15 показано это же явление, но для сверхзвукового потока с числом Маха М = 2—3.

 * * *

Поначалу наша новая наука о рабочем процессе в реактивных двигателях имела больше проблем, чем ис­следователей,— «бери коня любого» и скачи к туманным горизонтам. Однако я прочно сидел на своем коньке — капле, хотя соблазны материальные и иные появлялись: можно было заняться задачами более эффективными и сулящими более быстрое решение. Постепенно из смеж­ных отраслей техники и учебных заведений приходили новые люди. Мы сами старались подготовить их из сту­дентов и дипломников МАИ, МГУ, МФТИ, проходив­ших в нашем институте практику. Среди них — мне вез­ло больше на МФТИ, знаменитый «физтех» — попада­лись отличные ребята, светлые головы. Они были лучше обучены и подготовлены к работе в нашей отрасли, чем некогда мы, вступившие в нее. Эти ребята потом соста­вили гвардию нашей отрасли науки. Все мои практиканты и дипломники теперь кандидаты или доктора наук. 

Молодому человеку, который хотел знаний и творче­ского опыта, было чему поучиться. В институте начинался «золотой век» интересных теоретических семи­наров, докладов, дискуссий. Эту линию начал и воз­главил известный ученый и замечательный педагог академик Леонид Иванович Седов. С ним в институт пришел стиль строгости научных доказательств и аргу­ментации. Вечно разрываясь между собственными на­пряженными исследованиями и чтением работ других авторов, мы могли теперь получать богатую информа­цию, так сказать, не отходя от экспериментальных уста­новок. Леонид Иванович проявил большой вкус к фор­мированию научной школы и стал тогда одним из «цент­ров кристаллизации» одаренной молодежи, прежде всего аспирантов МГУ. Не без его влияния молодежь стремилась получить знания, набираться опыта так же, как и мы: «не боясь запачкать руки в грязи и саже экспери­мента». 

В те годы у нас в институте хорошо действовал тра­диционный тандем: научный работник—студент (или практикант). Разница в годах была не столь уж велика, а интерес к познанию общий. Мы вместе готовили и проводили эксперименты, на пару работали за микро­скопом, измеряя капли: один сидел над окуляром, дру­гой записывал. Полезны были «летучие» обсуждения результатов опыта, иногда сразу после запуска, прямо возле еще неостывших камер и не дождавшись, когда высохнут фотопленки. Ребята не могли найти таких знаний ни в одном учебнике, да их тогда просто и не было. Это в немалой степени побуждало к творчеству, и ребята иногда сами приходили к неожиданным, ориги­нальным идеям и решениям. Люди к нам, технарям, как говорится, валом валили. Нынче, говорят, совсем не то, молодежь будто бы поостыла к техническим ву­зам и техническим факультетам. Ну что ж, «другие дни, другие сны!» Раньше пленяли заоблачные высоты и стремительные скорости летательных аппаратов, несу­щих человека, сейчас центр внимания — сам человек. Молодежь идет в медицину, генетику, биохимию, психо­физиологию; по-видимому, там восходит заря новой на­учной эры. 

Другим повседневным помощником и спутником на­учного работника был механик стенда — фигура в на­шей работе весьма заметная. Стендовая установка час­то являлась уникальной, со сложным оборудованием, с мощной энергетикой. Изобретательская сметка меха­ника, его предложения по техническому оформлению эксперимента оказывались очень ценными, и я всегда подробно знакомил механиков своих стендов с общей задачей исследования. Помню, проводились опыты с распыливанием в сверхзвуковом потоке — явлением тогда малоизученным. Потребовался миниатюрный жаростой­кий распылитель, способный выдержать натиск струи газа с температурой более 2500 К. Существовавшие конструкции не вписывались в тесные рамки требуемых размеров. Модели, сконструированные в КБ лаборато­рии, сгорели одна за другой, брызнув кометным хвостом расплавленного металла. Я предложил эту задачу ра­ботавшему со мной механику Сереже Любимову, и через неделю появилось миниатюрное устройство. Для самого теплонапряженного лобового участка он сумел выто­чить маленькое острие из тугоплавкого вольфрама и за­прессовать его в корпус — операция ювелирная. «Ай да Сережа, распылитель подковал!» Все диву давались, как удалось изготовить это крошечное острие из такого трудно обрабатываемого материала. Остроумная кон­струкция использовала для охлаждения саму распыливаемую жидкость. Я теперь имел отличный распыли­тель, а механик — премию за рационализаторское пред­ложение.