Читаем Необыкновенная жизнь обыкновенной капли онлайн бесплатно

ББК 22.253.3 В70

Рецензенты:

А. Г. Прудников, доктор технических наук, Л. А. К л я ч к о, доктор технических наук.

Волынский М. С.

В70 Необыкновенная жизнь обыкновенной капли.—* М.: Знание, 1986.— 144 с. (Наука и прогресс).

25 к. 110000 экз.

Капля жидкости. Вот она сорвалась с кончика пипетки и летит вниз — какую форму она при этом принимает? Как происходит испарение неподвижной капли и капли, которая обдувается потоком воздуха? А как и почему вообще образуется капля? Ответы на эти простые, казалось бы, вопросы на самом деле не так просты. Капля всегда в движении, в динамике рождения и исчезновения: полет, колебание, распад, испарение и конденсация. Бесконечная цепь превращений, форм и размеров. Поэтому каплю можно назвать перекрестком, на котором сходятся интересы разных научных дисциплин — от гидродинамики до химии.

Для широкого круга читателей.

----------------------- ББК 22.253.3

© Издательство «Знание», 1986 г

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ КАПЛИ

(Вместо предисловия)

О капле писали многие и по-разному.

В целях познавательных, строго технических, по­пулярно-художественных. А мне всегда хотелось напи­сать о капле еще что-нибудь личное, лирическое. Тому есть серьезные причины: ей, капле, обязан я выбором научного пути. Эта скромная тропинка вела меня дол­гие годы непростыми маршрутами, они сходились и расходились с путями человеческих судеб, пересекали шумные магистрали и отворачивали порой от манящих горизонтов. Я продолжал с упорством, достойным луч­шего применения, как считали иные, идти к своей, «мелкой», «капельной» цели. Потом выяснилось — цель не мельче, а путь не уже и не хуже других в сложном перепутье современных научных специализаций. Он при­вел меня в удивительный и многообразный «мир в капле воды».

Маленький прозрачный шарик, а сколько научных направлений и проблем пересекалось в нем, как лучи в фокусе линзы!

Еще недавно, в преддверии века, ученые и инжене­ры не знали, какая ответственная роль уготована кап­ле в развитии современной техники.

В наше время мудрено не видеть телепередачи или фотографии величественных ракетно-космических стар­тов, красавцев авиалайнеров. Все слышали про реак­тивные двигатели. А что их двигает, что там внутри? Там сложно и много всего, и среди многого — капля. Нам помнится капля дождя на оконном стекле. Мы любуемся жемчужиной в ювелирной оправе цветочного бутона на лесной поляне в выходной день.

Ну а в будни? Глубоко спрятан от постороннего взгляда, но не менее важен для человека повседневный, будничный быт капли-труженицы в тесных отсеках и огненных вихрях камер сгорания, в реве турбин, в пе­рестуке поршней.

Капля — гениальное изобретение природы, которое успешно использует человек. В природе тоже работает основанная на каплеобразовании «машина» — круго­ворот влагообмена на нашей планете: испарение, кон­денсация, дождь.

Где капля, там и пузырь,— общие законы поверх­ностного натяжения сближают их: пузырь в жид­кости — это капля и воздух, вывернутые наизнанку; кристаллик льда — это замерзшая капля или капля — это оттаявший лед.

Капля необходима для всего живого — защитная капля крови на царапине, очистительная слеза в глазу. Капля — носитель зародыша в процессе оплодотворе­ния. Велика вероятность гипотезы, что жизнь зароди­лась именно в капельной форме. Может быть, Земля и планеты Солнечной системы — огромные остывающие капли, выброшенные когда-то нашим Солнцем...

В очень интересной книге Я. Е. Гегузина «Капля» рассказывается, как некий физик-энтузиаст мечтал со­здать особую науку о капле — «сталагмологию» (каплеведение). Но капля — перекресток многих наук: гидродинамики, физики, физикохимии, биологии и других.

Трудно дать краткое и полное определение капли. Можно, конечно, сказать: капля — частица жидкости, в состоянии равновесия ограниченная поверхностью вращения и стремящаяся под действием силы поверх­ностного натяжения к шарообразной форме. Но это скучно и неточно. Капля всегда в движении, в динами­ке рождения и исчезновения: полет, колебание, распад, слияние, испарение и вновь конденсация. Бесконечная цепочка метаморфоз. А разнообразие форм: эллипсоид, кольцо, купол парашюта. А диапазон раз­меров: капельки туманов диаметром с длину волны света (десятые доли микрометра), капли форсунок — сотня микрометров, дождь — это два—четыре миллиметра. Хотите каплю величиной с яблоко, ее можно полу­чить в невесомости, но попробуйте откусить — очень неудобно: выскальзывает изо рта...

«Поле деятельности» капли настолько обширно и разнообразно, что попытка подробного описания и объяснения всех связанных с каплей явлений вылилась бы в несколько объемных томов. В этой книге мы не бу­дем претендовать даже на популярное изложение еще не созданной науки «сталагмологии». Задача автора много скромнее: рассказать о личном участии в изучении свойств и поведения капли, о тех каплях знаний о капле, которые были добыты в лаборатории, чтобы затем влиться в море сведений, которыми располагает наука.

Надеемся, что знакомство с каплей лишний раз убе­дит читателей в неправомерности бытующего мнения, будто в науке уже почти не осталось нехоженых троп. В мире достаточно такого, что скрыто от нашего взора покровом привычных, обыденных представлений («обманчивость видимости вещей»). Полным загадок может оказаться каждое явление, каждый даже самый при­мелькавшийся предмет, коль скоро мы дерзнем по­грузиться в его глубину.

Но погружение имеет смысл в том случае, когда ясна цель. Поэтому перед тем, как начать рассказ об исследованиях свойств и поведения капли, хотелось бы дать читателям общее представление о том, насколько широк круг связанных с каплей проблем. Но как это сделать? Подробный рассказ обо всех явлениях, в которых участвует капля, был бы равносилен попытке объять необъятное. Ограничить рассказ рамками техни­ческого использования капли — значит, сузить ракурс до ложного впечатления, что человек не заимствовал у природы каплю, а изобрел ее сам.

В поисках формы повествования, которая позволи­ла хотя бы кратко коснуться многих связанных с каплей сторон, пришлось вспомнить, что людей, обладаю­щих пусть не слишком детальной, зато широкой эрудицией сразу в нескольких областях знаний, именуют энциклопедистами. Энциклопедия — вот та емкая форма, которая издавна используется для краткого изло­жения сведений из разных областей!

Так зародилась идея «Малой энциклопедии капли», сокращенно МЭК (см. Приложение).

Возможно, кому-то такое название покажется черес­чур громким, поскольку количество содержащихся в МЭК сведений даже для малой энциклопедии слишком мало. Чтобы спасти идею энциклопедии, будем считать, что буква М в названии МЭК обозначает не «малая», а «микро». Согласны даже считать МЭК не энциклопедией, а всего лишь микроэнциклопедическим словарем. Главное — сосредоточить в одном месте самые разнородные сведения о капле, чтобы в отличие от остальных разделов книги читатель мог читать МЭК не подряд, а выборочно, как и любую другую энцикло­педию, которую вряд ли кто-то возьмется читать том за томом от «А» и до «Я».

Для начала можно, быстро перелистав страницы МЭК, пробежать глазами включенные в нее термины. Это даст самое общее представление о круге связан­ных с каплей проблем. Не исключено, что уже при первом беглом просмотре возникнет желание узнать о чем-то чуть-чуть подробнее.

В МЭК найдутся, надеемся, некоторые интересные сведения о применении капель и в области химии, металлургии, геологии...

Сказанное в МЭК о капле в двигателях (внутреннего сгорания, реактивных, твердотопливных, жидкостных и др.) будет освещено подробнее на страницах соответствующих глав книги.

Еще раз подчеркнем, что МЭК, конечно, не претендует на какую-либо полноту — для этого она должна была бы превратиться в многотомную БЭК.

Наша цель будет достигнута, если после просмотра МЭК читатель проникнется интересом и уважением к капле за ее неутомимую и разнообразную деятельность в природе, в промышленности, в сельском хозяйстве и связанных с ними научно-технических областях.

И наконец, еще одно замечание, которое хочется сделать, прежде чем начать наш рассказ о капле. В этой книге роль героини, безусловно, отводится ей. Но жизнь героини не была бы столь насыщенной и содержательной без участия изучающих каплю людей. По ходу рассказа о капле в действие будут включать­ся и люди, чьими трудами постигается природа капли, ее капризный и непоседливый нрав. Вместе со скром­ными тружениками науки с проблемами капли сопри­касались и такие корифеи, как академики М. В. Кел­дыш, Л. И. Седов, Б. В. Раушенбах, Г. И. Петров, профессора Г. Н. Абрамович, А. А. Гухман, Е. С. Щетинков, и другие ученые, имена которых упоминаются на страницах книги.

Надеемся, что пример исследований капли поможет читателю ярче представить себе, с каким трудом до­бывается каждая капля истины, как трудоемок и кро­потлив каждый научный эксперимент, как капля за каплей наполняется море человеческих знаний, рож­дающих научно-технический прогресс.

Глава I

РАДУГА НА УЛИЦЕ РАДИО

Огонек на ветру

Желание написать книгу о капле, кажется, впервые возникло у меня в самолете. Мы летели в командиров­ку на старом добром Ил-14, в вышине за хвостом само­лета сияло солнце, а впереди по курсу из темно-пурпу­ровых туч опускался, зашторивая небо, густой дождь. Там, в его зыбкой глубине, висело роскошное кольцо радуги. Пассажиры, все как один, повернулись к окнам.

— Вот здорово, пролетим сквозь него, как в цирко­вом аттракционе,— сказал сосед-киношник.

— Так сказать, под куполом неба,— добавил жизнерадостный толстяк сзади.

— Не получится,— отозвался я,— не позволят законы оптики.

И мне пришлось объяснить, что такое радуга и почему на земле видно только полукружие, а отсюда весь круг. Радуга всех разговорила. Кто-то философски за­метил, что небесный художник дал образцы своих кра­сок, которыми расписывал этот мир.

В мой адрес посыпались метеорологические вопросы. Хорошо, никто не спросил, почему градины иногда бы­вают величиной с голубиное яйцо, а капли дождя у земли не более нескольких миллиметров. Я сам разоб­рался в этом значительно позже. А пока лишь пояснил им, что каплям не дает опасно разогнаться сопротив­ление воздуха. Не будь этой силы, капли, падающие с высоты трех километров, долбили бы по нашим черепам со скоростью револьверной пули. И тут же на обложке журнала прикинул величину скорости у Земли по школьной формуле для свободно падающего тела. Получилось около 250 м/с, в то время как действительная скорость крупной капли (0,2 грамма) не превышает 10 м/с.

К нашему разговору прислушивались другие пас­сажиры, и я понял: мои капли могут заинтересовать не только специалиста.

Самолет стал набирать высоту.

Мы прошли над грозой... А я погрузился в воспоми­нания.

...Корпуса московского ЦАГИ на улице Радио, про­сторный двор около ангара, идут испытания огромной модели центробежной форсунки. Она теперь принад­лежит истории техники, ее помнят поколения студен­тов и инженеров по фотографиям в учебниках и науч­ных статьях. Эта непривычно громадная «царь-форсунка» со стеклянным дном позволяла заглянуть сзади в камеру закручивания и увидеть на ее оси миниатюр­ный смерч воздушного вихря. Конус распыливания — широкий веер капель бил из соплового отверстия чуть не до знаменитой кирпичной башенки с ветряком, венчающим здание ЦАГИ. И в этой плотной сетке капель, почти у моих ног, возникла радуга — символ будущего решения моей неотвязной задачи...

...В те дни все мы, небольшой молодой коллектив группы реактивной техники, ложились спать и вставали с вопросом: как измерить летящую каплю? Тогда я не знал, что имеется теория радуги, что в природе есть и другие оптические чудеса и существует целая наука — метеорологическая оптика.

«Однако,— резонно думал я,— должна же быть какая-то связь между диаметрами капель и структурой радуги, по ней я и определю каплю, только нужно получить радугу в лабораторной комнате».

В моем воображении радуга превратилась в радостно многоцветную триумфальную арку. За ней, думалось мне, открывается путь научных побед. Позднее я убе­дился, что к истине ведет отнюдь не прямой и не ров­ный путь.

 ***

Годы войны. Пространством над планетой еще вла­деют винтомоторные самолеты, но уже восходит эра ре­активной авиации и ракетной техники. Поршневой дви­гатель и пропеллер начинают задыхаться на пределе своих возможностей. Быстрее, выше, дальше — война резко ускорила процесс создания новых летательных аппаратов. Мысль ученых, инженеров, изобретателей разных стран, созревшая уже в довоенные годы, теперь воплощалась в металл.

Истребитель на фронте еще летает со скоростью 500—550 км/ч, но уже самолеты с ТРД (турбореактив­ным двигателем) дают скачок скоростей до 700— 800 км/ч. Сообщения следуют одно за другим. Герои­ческий и трагический полет советского летчика Г. Я. Бахчиванджи на самолете конструкции А. Я. Березняка и А. М. Исаева, созданного под руководством В. Ф. Бол­ховитинова,— первый полет аэроплана БИ1 с ЖРД (жидкостным реактивным двигателем).

Схватки реактивных аппаратов в воздухе Европы: английские «Метеоры» с ТРД догоняют и сбивают над Францией немецкие «летающие консервные банки» — ракеты ФАУ-1 с пульсирующим ВРД (воздушно-реак­тивным двигателем). Итальянцы испытали самолет «Капрони-Кампини». Появляются на нашем и западном фронтах немецкие «Мессершмитты-262» с ТРД. В сентябре 1944 года немцы стали применять баллистические ракеты ФАУ-2 с мощными ЖРД. Из 1402 ра­кет, выпущенных по Великобритании, 517 взорвались в Лондоне.