Капля

Удобная «постель» для капли

В названии очерка нет надуманности — его содержание находится в полном соответствии с названием. Дело в том, что гладкая, чистая, полированная поверхность твердого тела для жидкой капли неудобна. Попав на нее, капля бу­дет пытаться изменить, улучшить подложку, сделать ее более удобной, даже если для этого ей придется трудиться очень долго.

Взаимное расположение сил, действующих на контур капли, лежащей на гладкой твердой поверхности

Напомню, что нет ничего удобнее для капли, чем быть взвешенной в пространстве, в невесомости: ни с чем она не соприкасается, никакие силы ее не искажают и ни к ка­ким изменениям она не стремится. А на пластинке с пло­ской поверхностью все не так, даже если пластинка с кап­лей находится в невесомости.

Вначале подумаем над тем, чем гладкая поверхность не­удобна для жидкой капли. Казалось бы, капля подвижна и должна, переливаясь, как-то приспособиться к плоской поверхности, сделать свое пребывание на ней удобным. Оказывается, что одним изменением собственной формы добиться этого капля не может.

Посмотрите на приведенный рисунок. На нем изображе­на капля жидкости, смачивающей твердую поверхность (угол φ — острый). Стрелками обозначены силы, обуслов­ленные поверхностным натяжением на границе подлож­ка — капля (α₂₁), подложка — воздух (α₂₀) и капля — воздух (α₁₀). Все дальнейшее можно было бы рассказать, имея в виду и каплю, не смачивающую твердую поверх­ность. Но мы остановимся на случае, который изображен на рисунке. Из него с очевидностью следует, что три силы, которые соответствуют поверхностным натяжениям твер­дое — воздух, твердое — капля и капля — воздух, ни при какой форме капли не могут прийти в равновесие, так как первые две из них направлены одна против другой и лежат в одной плоскости, а третья — под углом к ней. Именно поэтому имеется нескомпенсированная сила, приложенная к контуру капли,— на рисунке она обозначена жирной стрелкой и, пожалуй, может считаться количественной мерой степени неудобства подложки. Капле надо сделать что-либо с собой или с подложкой, чтобы избавиться от нее.

Можно рассказать об этом по-другому. Выпуклая по­верхность капли создает давление, которое прижимает ее к плоскости. Это так называемое капиллярное (лапласовское) давление — мы уже с ним встречались. Участок же поверхности капли, который граничит с твердой под­ложкой, такого давления не создает: оно должно быть пропорциональным 1/R, а радиус кривизны плоского участка

поверхности капли равен бесконечности, и, значит, давле­ние равно нулю. К одному участку поверхности давление приложено, к другому — не приложено, а это неудобно. Капля, подвешенная в невесомости, таких неудобств не испытывает.

Два разных рассказа об одном и том же явлении можно проиллюстрировать двумя опытами. Опыт первый иллю­стрирует первый рассказ, опыт второй — второй.

Опыт первый. На полированной поверхности стеклян­ной пластинки, сухой и чистой, располагается тонкий лепесток полимерной пленки. Хорошо, если его толщина будет не более 5 микрон. На поверхность лепестка надо посадить каплю воды и наблюдать за происходящим. Кап­ля начнет изгибать пленку, стремясь завернуться в нее. Отчетливо это иллюстрирует кинограмма. Работает при этом та сила, которая на рисунке обозначена жирной стрелкой. Если бы полимерная пленка абсолютно подчи­нялась воле капли, произошло бы следующее: капля при­няла бы форму сферы, равномерно покрыв себя слоем поли­мерной пленки. В действительности же, так как плоская пленка не может приобрести сферическую форму, капле не удается полностью в нее завернуться, но все же устра­ивается она при этом более удобно, чем на плоской поверх­ности.

Стремление капли завернуться в пленку мы объяснили, сославшись на силу, изображенную жирной стрелкой. Можно и в иных словах и понятиях описать процесс, за­печатленный на кинограмме, смонтированной из кадров фильма, в котором заснята кинетика заворачивания водя­ной капли в пленку. Из рисунка следует, что α₂₁ + α₁₀• cos φ = а₂₀. Так как cos φ≥0, то α₂₁ < α₂₀ и, следова­тельно, заведомо меньше, чем сумма α₁₀ + α₂₀. Это оз­начает, что выгодно вместо двух свободных поверхностей капли и пленки создать одну поверхность, вдоль которой капля и пленка соприкасаются. А для этого капле следует в пленку завернуться, что она и делает.

Последовательность моментов ваворачивания водяной капли в лепесток из полимерной пленки

Внимательно присмотритесь к каплям, которые после дождя остались на поверхности тонких листиков, и вы увидите, что вблизи капель листики изогнуты значитель­но больше, чем это могло бы произойти лишь под влиянием их веса. Капли явно гото­вили себе «постель» поудоб­нее.

Опыт второй был постав­лен чешскими физиками. На полированную поверхность массивного кристалла железа наносилась капля расплав­ленного свинца. Железо было раскалено до температуры более 1000° С, и поэтому свин­цовая капля оставалась жид­кой. Кристалл железа — не полимерная пленка, и изо­гнуть его вокруг себя капля не может. Поэтому поступает она иным способом: выкапы­вает под собой ямку такой формы, чтобы вдоль контуров капли все три силы скомпенсировались так, как показано на рисунке. Эта «удобная» ям­ка должна иметь такую фор-

му, чтобы давление, обусловленное изогнутой поверхностью жидкий свинец — воздух, было в точности равно тому давлению, которое обусловлено искривленностью поверх­ности жидкий свинец — твердое железо, т. е. дна ямки.

Равенство двух этих давлений означает, что α₁₀/R₁₀= α₁₂/R₁₂ . Итак, давления равны, а кривизна двух поверхностей различна, потому что различны соответствующие поверхностные энер­гии.

Взаимное расположение сил, действующих на контур капли, которая «удобно устроилась» на твердой поверхности

Выкопав под собой ямку, капля как бы перенеслась в невесомость — как и в невесомости, капиллярное давление оказалось одинаковым вдоль всей поверхности, огра­ничивающей каплю.

Естественно возникает вопрос: каким образом капля вы­копала ямку? Ответим на него. Вначале, когда капля была расположена на плоской поверхности железа, она прижи­малась к нему тем давлением, которое обусловлено искрив­ленностью поверхности свинец — воздух. Под влиянием этого давления железо из-под свинцовой капли перемещалось в области вокруг нее. Перемещалось в процессе диф­фузии поатомно, атом за атомом — опыт ставился при высокой температуре, когда диффузия в железе происхо­дит достаточно активно.

Надо подчеркнуть, что в описанном опыте капиллярное давление, которое обусловливает перемещение железа из-под свинцовой капли, существенно больше давления, обусловленного ее весом, так как капля свинца была очень «маленькая» в том смысле, в каком мы об этом гово­рили в очерке об опыте Плато.

Итак, в названии очерка все точно. Попав на твердую поверхность, капля действительно готовит себе удобную постель: либо изгибает подложку, если ей это удается, либо выкапывает для себя удобную ямку.