Яков Гегузин - Капля

Опыт заключался в следующем. На стеклянной пластин­ке поместили маленький кристалл ментола, подогрели его, расплавили, и он превратился в жидкую каплю. Менто­ловая капля немного растеклась по стеклу и приняла форму плоской лепешки. Затем взяли ментоловую иголоч­ку — продолговатый кристаллик ментола, сечение кото­рого было много меньше площади капли,— и опустили ее в ментоловую переохлажденную жидкую каплю.

Рассуждали так. Игла из кристаллика ментола может вмешаться в судьбу капли двумя различными способами. Она может явиться затравкой, которая вызовет кристал­лизацию переохлажденной ментоловой капли. В этом слу­чае капля, затвердев, останется на стекле в виде твердой лепешки, которая по форме мало отличается от формы жид­кой капли. Может произойти и иное: ментоловая игла, ока­завшись в непосредственном контакте с жидким ментолом, начнет жадно втягивать его на свои свободные поверхности, чтобы закрыть их жидкой пленкой. Если это произойдет, игла осушит каплю, как бы промокнет ее.

Произошло именно это: у места контакта с каплей игла начала утолщаться. Дело об­стояло так. Жидкий ментол, который в виде тонкого слоя наполз на поверхность иглы, кристаллизовался. На воз­никшую при этом свежую твердую поверхность опять наползал ментол и в свою очередь тоже кристаллизо­вался. Так происходило до тех пор, пока вся масса жид­кой капли не перебралась на иглу. Разумеется, процессы наползания и кристаллиза­ции не следовали один за другим, а происходили одно­временно, но наползание бы­ло ведущим процессом.

Ментоловая капля наползает на кончик ментоловой иглы

Нам, конечно, повезло — могла бы осуществиться пер­вая возможность, и капля осталась бы на стекле твер­дой лепешкой. В чем же при­чина везения? Главным обра­зом в том, что наползал мен­тол на иглу со скоростью большей, чем кристаллизо­вался. Опыт с иным вещест­вом, которое, как и ментол, подчиняется правилу, описан­ному в учебнике физики, окончился бы неудачей, если бы соотношение между скоро­стью наползания и кристал­лизации было неблагоприят­ным для проявления напол­зания и капля отвердела бы прежде, чем заметная ее часть успела бы наползти на иглу.

Обнаружив, что игла мо­жет осушить каплю, мы реши­ли заснять этот процесс на киноленту и теперь показываем студентам двухминутный фильм на лекции, посвящен­ной явлениям на границе между твердой и жидкой фазами. Кинограмма, иллюстрирующая очерк, смонтирована из кадров этого фильма.

Талая вода

Весеннюю капель, таяние снега, ручейки талой воды я по­чему-то всегда встречаю с грустью. Приход весны вызы­вает у меня ощущение не начала чего-то, а конца... Все свои планы я строю не на «учебный год» и не от новогод­ней ночи и до новогодней ночи, а от талой воды и до талой воды. Гонг, отбивающий годы, в моих ушах звучит весен­ней капелью.

Каждую весну я с грустью гляжу на талую воду. Много весен мелькало, но никогда я не задумывался над тем, как снег — белый и пушистый — рождает талую воду? Вопрос этот не возникал, видимо, потому, что ответ предполагал­ся простым и давно известным: снег состоит из снежинок — кристалликов, эти кристаллики, как и все кристалли­ческие тела, при определенной температуре плавятся, пре­вращаясь в жидкость. Для снега эта «определенная тем­пература» — нуль градусов. Вот и все.

Мне «по долгу службы» следовало бы больше знать об особенностях плавления снега. Снег ведь это не просто со­вокупность отдельных снежинок, каждая из которых ве­дет себя независимо. В снеге снежинки соприкасаются, об­разуя ажурную конструкцию из кристаллов и пустоты, а это, быть может, как-то влияет на судьбу отдельной сне­жинки? Быть может, капля воды рождается снегом не так, как снежинкой? Следовало бы знать, но я этого не знал, и лишь благодаря случаю пристальнее пригляделся к то­му, как рождается талая вода — капля за каплей.

Я жил зимой в лесу, в небольшом деревянном домике. В отличие от сказочных лесных избушек, забытых богом и людьми, этот домик людьми не был забыт. Люди, персонал Дома отдыха, домик утеплили, установили в нем много батарей парового отопления и гнали по ним столько горячего пара, что в комнате было нестерпимо жарко. Темпера­тура воды в графине достигала, кажется, 30° С. Пить эту воду было неприятно, и я решил приготовить холодную воду — растопить снег и напиться талой воды. Вокруг домика было много свежего, сверкающего снега. 

Здесь начинается рассказ о физическом опыте. Назовем его так: опыт первый. Про­зрачный стеклянный стакан я доверху заполнил снегом, немного притрамбовал его и поставил в комнате на столе. Со временем снег опустился ниже кромки стакана и отстал от стекла. Минут через пят­надцать объем снега умень­шился почти вдвое. Снег те­рял белизну, в нем явно об­разовывалась вода, но на дне стакана ее не было — ни кап­ли! Первые капли талой воды появились позже, когда снег, промокнув, начал в стакане расползаться, оседать.

Последовательность кадров фильма о таянии снежных сфер

Этот случайно поставлен­ный опыт убедительно свидетельствовал о том, что, пла­вясь, снег удерживает в себе воду. Или лучше так: ту воду, которая раньше всего обра­зуется на поверхности снега, где температура наиболее вы­сока, снег всасывает в себя. Это удивительно напоминает осушение ментоловой капли ментоловой иглой. Вместо ментоловой иглы — пористый снег, в котором много поверх­ностей, «жаждущих» покрыть­ся водой, вместо жидкого ментола — вода, образующая­ся при плавлении поверхност­ного слоя снега.

Первый случайный опыт мне показался нечистым, «упрекаемым», так как не все участки поверхности снега в стакане были в одинаковых условиях: боковая поверхность и верхний торец снежного цилиндра соприкасались с воздухом, а нижний торец, на котором цилиндрик стоял,— со стеклом стакана. Я поста­вил опыт преднамеренно — опыт второй. Из снега слепил небольшой шарик — такой, каким ребята играют в снеж­ки. Продел сквозь него нитку и наблюдал за тем, что про­исходит со снежной сферой, прежде чем от нее отделится первая капля талой воды.

Позже, уже в условиях лаборатории, этот опыт был пов­торен аккуратнее, со многими снежными сферами разных размеров, и все увиденное заснято кинокамерой. Чтобы результаты опытов можно было обработать количественно, рядом с шарами расположили масштабную линейку и ча­сы. Кинолента рассказала о том, что со временем при ком­натной температуре все снежные шары уменьшаются. Внизу каждого из них появляется вода, которая, однако, не капает, а остается в снегу. Снежная сфера со всех сто­рон равномерно обогревается воздухом, и вода появляется на всей ее поверхности. Капиллярными силами она втя­гивается в объем сферы, а затем под действием силы тяже­сти собирается в ее нижней части. Здесь сфера темнеет. Накапливающаяся вода продвигается к «макушке» сферы, и, когда весь объем сферы «напьется», от нее отделится пер­вая капля. А затем капля за каплей — весь снег истечет талой водой. Чем меньше сфера, тем раньше появится пер­вая капля.

Немного простых рассуждений. Очевидно, перед рожде­нием первой капли, насытившись водой, т. е. заполнив ею все поры, снежная сфера уменьшит свой объем на величи­ну, равную объему пор. Объем пор равен произведению на­чального объема сферы на одинаковую для всех сфер величину пористости. Именно поэтому относительное изменение объема сферы до момента рождения первой капли не должно зависеть от ее начального размера. Ведь именно эта величина равна пористости. Из опы­тов и следовало, что относительное изменение объема снежной сферы не зависит от ее начального радиуса.

А теперь — немного стихов. Как-то мне попались на глаза такие строки о таянии снега:

...Что зима с землей ни делала,

Как ни била, как пи жгла —

Из-под снега, из-под белого

Снова речка потекла... 

Стихи эти очень складные, но очень неточно отражают процесс таяния: «из-под снега, из-под белого» талая вода не течет. А вот строки из стихотворения Николая Забо­лоцкого «Оттепель»:

...Оттепель после метели.

Только утихла пурга,

Разом сугробы осели

И потемнели снега...

Из-под такого снега талая вода вскоре появится — вначале капля, а затем бурный весенний поток.

Весенняя капель

Много физических явлений связано с весенней капелью. Например, можно рассказать о закономерностях образования изумительной по совершенству и красоте «каплевидной» формы капли, готовящейся оторваться от тающей сосульки. Не могу объяснить почему, но форма набухающей капли мне представляется верхом гео­метрического совершенства. Разве лишь сфера может сравниться с ней по красоте и логической законченнос­ти формы. Можно рассказать о солнечных бликах, жи­вущих на поверхности капли, которая набухает на кончи­ке сосульки. Блики колеблются в ритме дыхания набухающей капли. Можно рассказать о весеннем звоне, который, по мысли поэта, сопровождает полет сосульки из зимы в весну. Звон капели звучит во многих стихотворных и музыкальных строчках, и, ко­нечно же, следовало бы рассказать об акустике удара капли о поверхность воды или льда, покрытого водяным слоем. Капля разбивается на мелкие осколки, и каж­дый из осколков вносит свое звучание в весенний звон.