Читаем Капля онлайн бесплатно

Annotation

Книга состоит из отдельных очерков о физиче­ских законах, управляющих поведением капли, об ученых, которым капля помогла решить ряд сложных и важных задач в различных областях науки.

Книга иллюстрирована кадрами скоростной ки­носъемки и будет интересна самому широкому кругу читателей.

ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ

Первая капля

Слово о кинокамере

Сталагмология

КАПЛЯ В НЕВЕСОМОСТИ

Опыт Плато

Воспоминание о лекции профессора Френкеля

О подпрыгнувшей капле

Фильм о слиянии двух капель

Статья Эйнштейна о лорде Кельвине

Капля пустоты

Удобная «постель» для капли

Раздавленная капля

ПЕРВАЯ КАПЛЯ ТАЛОЙ ВОДЫ

Капля, осушенная иглой

Талая вода

Весенняя капель

Пятна на столе

Невысыхающие капли

ДОЖДЬ НАД РЕКОЙ

Капля-шарик и капля-парашют

Капля падает на жидкость

Капля на кончике иглы

Антидождь

«Капля камень долбит»

Водяная корона

Элементарная теория разрушения водяного пузыря

Дождь на оконном стекле

Глицериновые дожди и глицериновые капели

Опыт Рэлея—Френкеля

Кто творит радугу?

КАПЛИ РОСЫ

Счастливый день в жизни естествоиспытателя

Засада на росу

Росинка в солнечном луче

«Застывшие алмазы росы»

Капли со шлейфом

Капельный след

Пузырьковая камера

Из истории исследования электрона

ЖИВЫЕ КАПЛИ

Капля живого серебра

Кардиограмма ртутного сердца

Капля, движущаяся в кристалле

Дипломная работа студента

Каплеподшипники

ПОСЛЕДНЯЯ КАПЛЯ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

Научно-популярная серия

Я. Е. ГЕГУЗИН

КАПЛЯ 

Посвящаю памяти матери

Розалии Моисеевны Гегузиной

ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ

Первая капля

Когда я задумал написать эту книгу и структура ее была еще неясна, мне советовали каждый из очерков называть так: «Капля первая», «Капля вторая» и т. д. Мысль мне показалась тенденциозной, и совету я не внял. А вот пер­вый очерк — даже не очерк, а несколько вводных фраз — решил все же назвать «Первая капля».

Жизнь развивается так, что искусство в несравненно меньшей степени, чем наука, со временем оснащается вну­шающим почтение «новейшим оборудованием» — умными и сложными машинами с разноцветными кнопками и мига­ющими лампочками на пульте. Скрипка и кисть сохрани­лись в руках мастера, устояли против натиска множества электронных музыкальных приборов и цветной фотопленки. Творчество в литературе и искусстве осталось привиле­гией человека, его личной одаренности, одержимости, спо­собности удивляться. А в науке происходит нечто иное: лупа и примитивный электроскоп естествоиспытателя ус­тупили место огромным электронным микроскопам и слож­нейшим электрическим машинам. Сложным оборудованием управляет коллектив научных работников со штатом ла­борантов, механиков и инженеров.

Чисто внешнее и совершенно оправданное изменение облика науки иногда представляется признаками ее пере­рождения — превращением науки в нечто обезличенное и механизированное, оторвавшееся от образного, поэтиче­ского мировосприятия человека. К счастью, в действи­тельности дело обстоит совершенно не так. Как и всегда, своими всплесками наука обязана озарениям тех естест­воиспытателей, которые, подобно поэтам и художникам, одарены талантом видеть. Как всегда, наука и ныне остается сродни искусству и никакого разделительного вала между ними нет.

Составляя очерки о капле, я не расставался с мыслью о родственности науки и искусства. И если — пусть не пря­мо, а между строк — читатель эту мысль прочтет и в его глазах она «обретет плоть», я буду считать, что труд мой не пропал даром.

Слово о кинокамере

В работе над «Каплей» моим верным помощником была кинокамера, и она несомненно заслуживает благодарст­венного слова.

Глаз человека — великолепный оптический прибор. Он тонко различает цвета, мгновенно настраивается «на резкость» при разглядывании объектов на различных расстояниях, чувствует слабые полутени и резкие конту­ры. И все же глаз нуждается в помощниках, расширяю­щих его возможности. Нужны и телескоп, и микроскоп, и множество различных луп. Они помогают соотнести ис­тинные размеры объекта с разрешающей способностью глаза: приблизить удаленное, увеличить мелкое, оттенить расплывчатое.

В последние десятилетия в ряду помощников глаза появилась кинокамера. Кто-то о ней сказал «лупа време­ни». Это определение верное, так как камере под силу «растягивать» и «сжимать» отрезки времени. Мощь кино­камеры неизмеримо возрастает, если ею пользоваться, укрепив на тубусе микроскопа.

В нашей лаборатории есть различные кинокамеры — маленькие и большие, скоростные, которые успевают за­снять тысячи кадров в секунду, и «обычные», которые, работая, не изменяют масштаба времени. Есть и такие, которые снимают покадрово, т. е. так, что между съем­ками двух последовательных кадров проходит время, заданное камере. Все они «помогали» мне разглядеть кап­лю — в полете, рождающуюся на кончике сосульки, пуль­сирующую, подобно сердцу, скользящую по оконному стеклу. Без кинокамер многое бы глаз не увидел и кап­ля в «Капле» выглядела бы обедненной.

Сталагмология

Однажды я участвовал в субботней телевизионной пере­даче «Голубой огонек». По замыслу ее организаторов, мне была отведена роль посетителя кафе, которому надлежит сидеть за столиком, пить кофе и аплодировать выступаю­щим. По ходу передачи ведущий должен был обратиться ко мне с каким-то вопросом о дожде, а мне, как бы экспром­том, следовало рассказать о падении дождевой капли на поверхность воды и показать телезрителям полутораминутный кинофильм об этом. Фильм тоже должен был по­явиться экспромтом. Видимо, стремясь вдохновить участ­ников «Голубого огонька», режиссер передачи напом­нил, что из объектива телекамеры на нас глядят миллионы. Добился он этим напоминанием противоположного резуль­тата. Под тяжестью ответственности посетители кафе немного оробели, и каждый свой «экспромт» излагал скованно. Мою задачу немного облегчил фильм, который я комментировал, оставаясь за экраном.

Вскоре после передачи стали приходить письма теле­зрителей. Писем было много, и каждое по-своему инте­ресно и неожиданно.

Автор одного из писем сообщал, что он пишет книгу, которая посвящена изложению науки о каплях. Называть­ся книга будет «Сталагмология», что в переводе на рус­ский язык означает «каплеведение». Автор письма с по­хвалой отзывался о моем фильме и просил прислать ему несколько кинограмм, которые он хотел бы поместить в качестве иллюстрации в соответствующей главе «Сталагмологии».

Письмо меня заинтересовало, и мне захотелось позна­комиться с человеком, которому надлежит стать основателем новой науки,— до письма я не подозревал о суще­ствовании «каплеведения». Я попросил автора письма меня принять и поехал к нему.

Меня встретил немолодой человек, некогда занимав­шийся научной деятельностью в области биологии. Он рассказал о том, что образ капли его привлекает еще с юности, что в его картотеке числится множество статей, которые прямо или косвенно посвящены капле, и что его память хранит много наблюдений над каплями. Он рас­сказал и о том, что некогда ему довелось, вернее, посчаст­ливилось сделать важную научную работу, в которой объ­ектом исследования была капля. Я ему тоже рассказал кое-что о каплях, чего, он, нефизик, не знал.

Начался разговор о сталагмологии. Я говорил о том, что не совсем понимаю правомерность такой науки. Да, действительно, о каплях известно много, и вещество в «капельной» форме изучали представители многих наук. Да, действительно, о каплях можно рассказать уйму ин­тересного, и капля, пожалуй, один из самых совершенных образов, созданных природой. И все же все это в совокуп­ности не составляет науки, основанной на прочном фун­даменте аксиом и основных законов, без которых наука немыслима. Мой собеседник многие годы лелеял мысль о сталагмологии, и ему было очень трудно согласиться с моими рассуждениями. Он не возражал, а просто не соглашался.

Итак, по-моему, сталагмология — не наука, нет та­кой науки. Отдельные свойства капель, процессы, свя­занные с ними, к наукам имеют прямое отношение, но в совокупности самостоятельной науки не составляют. Во время того трудного разговора со старым ученым я вспом­нил слова физика Феймана, одну из тех фраз, которые не­ожиданными блестками вкраплены в самые трудные стра­ницы «феймановских» лекций по физике. Он пишет: «Не все то, что не наука, уж обязательно плохо. Любовь, например, тоже не наука. Словом, когда какую-то вещь называют не наукой, это не значит, что с ней неладно: просто не наука она и все».

Предлагаемая книжка очерков о каплях не «сталагмо­логия» и не «предтеча» науки с таким звучным названием. В ней собраны рассказы о физических законах, управляю­щих поведением капли, о ее красоте и о людях, которым образ капли подсказал решение сложных и важных задач из различных областей науки.

Капля — это кусочек мира, в котором мы живем и ко­торый мы стремимся узнать. Капля — быть может, дож­девая — подсказала ученым идею модели атомного ядра и один из лучших способов наблюдения за движением элементарных частиц материи. Капля, летящая в дожде­вом потоке и падающая на речную гладь, или росинкой сидящая на паутине, или набухающая на кончике сосуль­ки во время весенней капели,— это очень красиво и по­этично, и не случайно многие поэты и художники востор­гались каплей. Я считаю, что творчество поэтов и ученых питается из одного источника — умения смотреть, ви­деть и удивляться. И кто знает, сколько еще будет увидено и понято благодаря капле?

Недавно встретилась мне великолепная книга о спеле­ологах — людях, изучающих пещеры, подземные каналы и коридоры, размытые миллиардами капель. Ее авторы, исходившие сотни подземных троп и тропок, назвали книгу «Вслед за каплей воды»...

А вот что написано о капле в «Толковом словаре» Да­ля. Слова «капля» нет, есть «капать», а «капля» — в качестве одного из множества производных слов. Они в словаре занимают места больше, чем находящиеся поблизости «капелла», «капитан», «капкан», «капрал» и «каприз», вместе взятые. «Капля» обросла множеством сентенций. Кто-то глубокомысленно заметил, что «океан начинается с капли», а кто-то — что «капля воды обладает всеми свой­ствами воды, но бури в ней заметить нельзя».

Много лет мечтал я написать книжку очерков о капле. Снимал кинофильмы, запоминал встречавшиеся стихи, в которых были строки о капле, сохранял короткие записи об историях, связанных с каплей. Готовился к книге, но не писал, что-то сковывало меня. И вот недавно встре­тилась мысль, которая придала мне решимость. Мысль о том, что писать книгу надо хотя бы для того, чтобы ос­вободиться от иллюзии, что можешь написать ее.

Итак, книжка очерков о капле. Не «Сталагмологии», а книжка очерков.

КАПЛЯ В НЕВЕСОМОСТИ

В условиях невесомости все выглядит так же, как и в условиях весомости, за исключением от­сутствия веса, в связи с чем в условиях неве­сомости все выглядит не так, как в условиях весомости.

Ответ на экзамене по физике

Опыт Плато

Жозеф Антуан Фердинанд Плато, профессор Гентского университета по кафедре физики и анатомии, в течение жизни занимался множеством различных проблем, кото­рые, судя по всему, считал значительно более важными, чем поставленный им опыт с невесомой каплей. Но история рассудила иначе и прочно соединила его имя именно с этим опытом. Опыт широко известный, классический, демонстрируемый почти во всех лекционных курсах по фи­зике. В прозрачный сосуд наливается водный раствор спирта, и затем туда с помощью пипетки вводится капля масла. Концентрацию раствора можно сделать такой, что­бы плотность раствора и масла была одинаковой. В этом случае капля масла, не растворяющаяся в спиртовом растворе, вне зависимости от ее объема, приобретет форму сферы и повиснет в растворе. Аналогичный опыт можно поставить, воспользовавшись соленой водой и кусочком жидкой эпоксидной смолы или анилина,— результат будет тот же.

Сферическая форма капли в опыте Плато объясняется тем, что вследствие равенства плотности вещества капли и среды капля оказывается в невесомости, и поэтому ее форма определяется только стремлением к уменьшению поверхностной энергии на границе капля — среда.

В последние годы в связи с развитием космонавтики возрос интерес к поведению жидкости в невесомости. Возникло научное понятие «гидродинамика невесомости». Плато, пожалуй, следует считать пионером этой науки. Он первый, оставаясь приверженным Земле, поставил жид­кость в условия невесомости, «отключив» тяготение для одной капли.

Истинная форма капли определяется суммой всех сил, которые на нее действуют, и поэтому задачи о форме капли в обычных условиях, как правило, очень сложны. Если капля лежит на твердой поверхности, то надо учесть и дей­ствие силы тяжести, которое будет каплю расплющивать, и действие собственного поверхностного натяжения, ко­торое будет каплю сжимать, и действие поверхностного натяжения на границе капля — твердая поверхность, которое тоже в какой-то степени деформирует каплю. В опыте Плато действует только одна из перечисленных сил — сила, обусловленная собственным поверхностным натяжением, и капля прини­мает форму сферы, т. е. фор­му, которая при данном объ­еме отличается минимальной поверхностью.

Капли анилина, взвешенные в воде, имеют сферическую форму вне зависимости от их размера

Последнее утверждение обычно повторяют как само собой разумеющееся. Между тем стоило бы убедиться в том, что шар действительно обла­дает минимальной поверх­ностью. Это можно сделать с помощью рассуждений, не­когда предложенных немец­ким геометром Штайнером.

Воспроизведем его рассуж­дения в виде двухэтапной последовательности.

Этап первый. Фигура, по­верхность которой минималь­на при данном объеме, не мо­жет иметь вогнутые участки, так как превращение этих участков в плоские приводит к уменьшению поверхности, которое сопровождается увеличением объема.