Яков Гегузин - Капля
Опыт ставился следующим образом: соприкасающиеся бусинки выдерживались при высокой температуре некоторое время, затем охлаждались. На охлажденных бусинках измерялась ширина контактного перешейка, а потом все повторялось сначала: нагревались, выдерживались, охлаждались, измерялись. В каждом таком цикле добывалась одна экспериментальная точка. По 5—10 точкам строилась зависимость; квадрата ширины контактного перешейка (эта величина пропорциональна площади контакта) от времени. Экспериментальные точки не совсем точно укладывались на прямую, но в общем, как и предсказывает формула Френкеля, прямая получалась.
Итак, как будто круг замкнулся. Экспериментатор подтвердил правоту теоретика, узнал в «карикатуре» истинную натуру. И все же, может быть, он увидел не все? Возможно, согласие теории и эксперимента иллюзорно, оно .не точное, а, как говорят, «в общих чертах»? Теоретику, определившему задачу, те допущения, которые он делает, решая ее, «карикатура» простительна, а от экспериментатора можно потребовать подлинную фотографию с деталями,. которые не обязательны в карикатуре.
Опыты с микроскопическими бусинками — не лучшим образом поставленные опыты. Во-первых, бусинки малы, и поэтому некоторое изменение их формы в процессе взаимного слияния обнаружить непросто. Во-вторых, они не абсолютно сферические. В-третьих, пусть не много, но сила тяжести все же искажает форму бусинок, размягченных температурой. В-четвертых, 5—10 точек, рассеянных вокруг прямой,— не стопроцентная гарантия выполнимости предсказаний теоретика.
Теперь уместно перейти к фильму о слиянии двух капель. Он назван «Слияние вязких сфер в невесомости». Чтобы избавиться от перечисленных упреков в неточности, опыт, который должен был быть заснят на кинопленку, мы поставили так.
Два одинаковых по весу бесформенных кусочка вязкого вещества, допустим смолы, следует поместить в жидкость, плотность которой в точности совпадает с плотностью смолы. Вскоре, если температура жидкости достаточна, бесформенные кусочки превратятся в идеальные сферы, как это было в опыте Плато. В этом случае не следует бояться, что сила тяжести исказит форму сфер, поскольку они находятся в невесомости. Это дает экспериментатору возможность изучать не микроскопические бусинки, а крупные сферы. Снимая этот фильм, мы экспериментировали со сферами диаметром 5 см. Разобщенные сферы . приводились в контакт, и все происходящее с ними снималось кинокамерой. Две пятисантиметровые сферы сливались в одну приблизительно за 1 мин. Так как скорость съемки 24 кадра в секунду, то весь процесс оказывался запечатленным на огромном количестве кадров — более тысячи. Для игрового фильма это число кадров ничтожно, а для экспериментатора 1000 кадров — это 1000 экспериментальных точек! По этим точкам можно построить надежную кривую, отражающую зависимость изучаемой характеристики от времени.
Слияние капель эпоксидной смолы в невесомости
Наблюдая за слиянием сфер в невесомости с помощью кинокамеры, можно получить истинный «портрет» явления и оценить интуицию и зоркость теоретика.
Кадры фильма свидетельствуют о том, что в основном Френкель был прав, но только в основном. Действительно, быстрее иных участков поверхности движется вогнутая область контактного перешейка, но движется не только она. Оказывается, что, стремясь поскорее слиться, сферы меняют свою форму и рядом с перешейком. Поэтому центры сфер сближаются быстрее, чем это следует из расчетов Френкеля. Поэтому и площадь контакта со временем изменяется по очень сложному закону, а закон, выведенный Френкелем, проглядывает сквозь последовательность огромного числа точек лишь как нечто усредненное, справедливое приближенно. На киноленте, кроме того, были запечатлены и более далекие стадии слияния сферических капель, которые описать с помощью формул чрезвычайно трудно. Начинает перемещаться вещество во всем объеме сферы, в каждой точке с разной скоростью и в разных направлениях, и оказывается практически невозможным усмотреть черты, пригодные для создания похожей «карикатуры».
Бот уже четверть века идея Френкеля определяет деятельность всех тех, кто занимается изучением процесса спекания. Кинокамера не отменила исследование 26-летней давности, а лишь указала на детали, от которых освободила сложное явление интуиция теоретика.
Статья Эйнштейна о лорде Кельвине
В конце 1924 года в немецком журнале «Naturwissenschaften» появилась статья Эйнштейна «К столетию со дня рождения лорда Кельвина». Эйнштейн счел своим долгом почтить память лорда Кельвина-Томсона — выдающегося английского физика прошлого века. Статья начинается с характеристики Кельвина — «...один из наиболее сильных и плодотворных мыслителей XIX столетия...», «...основатель теоретической школы, из которой вышел гениальный теоретик нового времени К .Максвелл...», «...одаренный богатой фантазией, редким умением применять математический аппарат и проникновенным умом...», «.. .не многие ученые были столь же плодотворны». А затем — о конкретных заслугах и достижениях. «Наиболее существенный вклад Томсона в развитие физики — это основание термодинамики...»; «В возрасте 23 лет он вводит одно из фундаментальнейших понятий современной физики — абсолютную температуру...»; «Обилие результатов... в области учения о теплоте, гидродинамики, учения об электричестве, навигации, физической географии и измерительной техники...»
Схема опыта Кельвина, в котором с помощью капель получено высокое напряжение
В мемориальной статье Эйнштейн стремится принести дань глубокого уважения блестящему ученому и решает не писать о всей деятельности Кельвина, а показать четкость его исследовательской мысли на нескольких примерах, которые в свое время Эйнштейна особенно восхитили. Из множества работ Кельвина он выбрал те, которые имеют касательство к каплям, вернее, из трех работ Кельвина, особенно поразивших Эйнштейна, две оказались о каплях. О них и рассказ.
В первой работе предлагается идея генератора высокого напряжения, в котором главным работающим элементом являются капли. Вместо пересказа принципа работы генератора я приведу цитату из статьи Эйнштейна.
«Из заземленной водонаполненной трубки [см. рисунок] вытекают две струи, которые внутри пустотелых изолированных металлических цилиндров СиС' разбиваются на капли. Эти капли падают в изолированные подставки Аи А'со вставленными воронками. С соединен проводником с А', аС'сА.Если С заряжен положительно, то образующиеся внутри С капли заряжаются отрицательно и отдают свой заряд А, заряжая тем самым С' отрицательно. Из-за отрицательного заряда С' образующиеся внутри него водяные капли получают положительный заряд и разряжаются в А',увеличивая его положительный заряд. Заряды С, А'и С', Авозрастают до тех пор, пока изоляция препятствует проскакиванию искры».
Идея Кельвина изумительна по простоте и очевидности, и мы в своей лаборатории решили воплотить ее в реальных каплях и металлических бездонных цилиндрах и стаканах. Все, что изображено на рисунке, мы разместили под стеклянным колпаком, оградив от различных внешних воздействий, а от цилиндров С и С' вывели из колпака проводники и присоединили их к двум одинаковым металлическим шарикам диаметром 1 см. Шарики укрепили на специальной подставке, и расстояние между ними сделали неизменным — 1 мм. Затем, открыв зажимы, дали возможность каплям падать и начали наблюдать: подсчитывали число упавших капель и следили, когда между шарами проскочит искра.
