Капля

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.

В тот момент, когда проскочила искра, между шарика­ми была разность потенциалов 3000 вольт! Никто в наши дни не пользуется капельным методом, чтобы создавать высокие напряжения,— существуют способы помощнее... И все же нельзя не понять Эйнштейна, который был вос­хищен кельвиновской идеей.

В мемориальной статье Эйнштейн рассказал еще об одной идее Кельвина, имеющей прямое отношение к кап­ле. Кельвин заинтересовался следующим вопросом: как зависит давление пара жидкости вблизи поверхности от степени ее искривленности? Если рассуждать предметно, то речь идет о том, насколько отличается давление пара вблизи изогнутой поверхности водяной капли от давления пара вблизи плоской поверхности воды, налитой в широ­кое блюдце. В поисках ответа па этот вопрос Кельвин рассуждал так. Допустим, что в сосуд с жидкостью по­гружена тонкая трубка, внутренний радиус которой R. Если жидкость не смачивает материал, из которого сдела­на трубка, то ее уровень в трубке расположится ниже, чем в широком сосуде, в который налита жидкость. Произой­дет это по причине очевидной: в связи с тем что жидкость не смачивает стенок трубки, поверхность жидкости в ней будет выпуклой, полусферической, именно поэтому к жид­кости будет приложено давление, направленное внутрь, то самое лапласовское давление, с которым мы уже встре­чались, обсуждая опыт Плато. Под влиянием этого давле­ний уровень жидкости в трубке опустится ровно настолько, чтобы давление из-saразности уровней жидкости в труб­ке и вне ее в точности равнялось лапласовскому. Его величину мызнаем: Р_л = 2α/R Разность уровней h обусловит давление Р = ρgh. Буквами обозначены следующие ве­личины: α — поверхностное натяжение жидкости, ρ — ее плотность, g — ускорение силы тяжести. Приравняв два эти давления, мы убедимся, что разница уровней h = 2α/ρgR .

Таков результат первого этапа рассуждений Кельвина.

К расчету влияния кривизны поверхности жидкости на дав­ление пара над ней

Второй этап — естественное продолжение первого. Над всей поверхностью жидкости — и той, которая в трубке, и той, которая в широком со­суде,— имеется пар этой жид­кости, однако не везде дав­ление, оказываемое им на жидкость, одинаково: несколько большим оно будет над по­верхностью жидкости в труб­ке, так как слой пара над ней толще на величину h. Очевид­но, дополнительное давление этого слоя равно ΔР = ρ₀gh, где ρ₀ — плотность газа, которая много меньше плот­ности жидкости. Величину hмы знаем — она была найдена на первом этапе рассужде­ний — и, следовательно, можем определить величину ΔР. Она очень важна, и поэтому формулу, которая определяет эту величину, мы вынесем на отдельную строку:

По поводу этой формулы Эйнштейн заметил, что она действительна «независимо от того, какими причинами обусловлено возникновение кривизны поверхности».

Можно понять восхищение, испытанное Эйнштейном, когда он ознакомился с логикой рассуждений и формулой Кельвина. Ведь, казалось бы, Кельвин обсуждал совсем частный пример: широкий сосуд, в нем жидкость, в жид­кости капилляр и т. д. А пришел к закону природы огром­ной важности и выразил его формулой, в которой ничего не содержится от того частного примера, который обсуж­дался. Разве что только R — радиус тонкой трубочки. Но ведь трубочка, как оказалось, нужна была только для

того, чтобы получить участок изогнутой поверхности, ограничивающей жидкость.

Вспомним о капле — она вся ограничена изогнутой по­верхностью, и значит, давление пара вблизи нее будет повышено на величину, определяемую формулой Кельви­на: чем меньше радиус капли, тем большее давление пара над ней. В этом легко убедиться с помощью многих опытов — далее мы с ними еще встретимся, а здесь, вместе с Эйн­штейном, восхитимся талантом Кельвина — его проница­тельным умом и великолепной логикой.