Недавно в нашей лаборатории совершенно неожиданно студент-дипломник наблюдал капли, скачущие по твердой поверхности, когда ставил эксперименты по взрыву металлических проволочек, вплавленных в кри­сталл каменной соли.

Эксперимент заключался в следующем. Через прово­лочку импульсно пропускался электрический ток боль­шой силы, и она взрывалась. Затем с помощью микроско­па исследовалась структура области кристалла вблизи взорвавшейся проволочки. При некоторых условиях осу­ществления взрыва кристалл растрескивался, и на оголив­шихся поверхностях можно было наблюдать пунктирные линии, состоявшие из пятнышек, которые оставила скачущая капля расплавленного металла проволоки.

Пунктирная последовательность следов во всех случаях завершалась каплей, которая, израсходовав свою энер­гию в скачках, прилипла к поверхности и закристаллизо­валась на ней.

По фотографиям можно проследить некоторые особенно­сти скачкообразного движения капли на поверхности кристалла. Но прежде чем это сделать — немного теории.

Допустим, что жидкая капля, радиус которой R , падает на плоскую поверхность под малым углом φ между по­верхностью и направлением скорости. Если бы капля обладала свойствами абсолютно упругого тела, т. е. без потерь энергии отражалась от поверхности кристалла по закону «угол падения равен углу отражения» и воздух не препятствовал ее полету, она скакала бы по его поверх­ности сколь угодно долго и длина скачка l оставалась бы неизменной. Эту длину легко вычислить. Воспользуемся обозначениями, которые указаны на рисунке. Очевидно, в направлении, параллельном поверхности кристалла, капля, имея скорость υ ₁ = υ ₀ cosφ , будет лететь в течение всего того времени, которое понадобится ей для того, чтобы в поле земного тяготения вначале подняться от по­верхности на максимальную высоту, а затем с этой высоты спуститься на поверхность кристалла. Это время -

τ = 2 υ ₁ / g

В приведенных формулах мы воспользовались тем, что φ мало. Только в этом случае можно считать, что cos φ ≈ 1 , a sin φ ≈ φ .

Так было бы, если бы выполнялись обусловленные иде­альные обстоятельства. В действительности капля, пры­гая по твердой поверхности, теряет энергию. Во-первых, полету препятствует воздух и часть энергии расходуется на преодоление его сопротивления. Во-вторых, в момент удара капля вязко деформируется, а затем, оттолкнув­шись от поверхности, восстанавливает свою форму. И на это необходима энергия. В-третьих, в каждой точке, где капля коснулась твердой поверхности, остается жид­кое пятнышко. Его появление можно представить себе как отщепление от капли жидкой пластинки, т. е. появ­ление двух свободных поверхностей жидкости, площадь каждой из которых равна площади оставленного пятныш­ка. При этом расходуется энергия W_s = 2а• S , где S — площадь пятнышка. Точно учесть все потери энергии ска­чущей капли — дело совсем не простое, так как они зависят от очень многого: скорости полета, массы капли, вязкости и поверхностного натяжения вещества капли. Величина этих потерь изменяется от скачка к скачку. Если сделать заведомо упрощающее предположение, что в каждом очередном скачке капля теряет одну и ту же энергию W , изменяя при этом массу незначительно, можно определить длину n-го скачка (l _п) с помощью фор­мулы, которая следует из предыдущей:

Полученная формула свидетельствует о том, что каждый следующий скачок должен быть короче предыдущего. Кроме того, из нее следует, что общее число скачков не может быть больше, чем п* = W ₀ / Δ W . Фотографии подтвержда ют сделанные выводы: последующий скачок действительно короче предыдущего, и число скачков ограничено.

Так как конец пути капли на фотографиях запечатлен достовернее начала, можно надежно выяснить судьбу капли, прослеживая ее траекторию в направлении, про­тивоположном направлению полета. Оказывается, что перед самым финишем на последнем этапе капля (которая изображена на приведенной фотографии) весила всего 4 ^. 10^-8 г и имела энергию ~3 ^. 10^{- 6} эрг, т. е. ее скорость была немногим больше 10 см/сек.

Жидкая металлическая капля скачет по поверхности кристалла соли

А на предпоследнем этапе, с учетом того, что его длина и масса капли были большими, скорость полета капли оказывается существен­но большей — около 100 см/сек. Двигаясь так от конца пути к его началу, можно восстановить все характеристи­ки скачкообразного движения капли и вычислить, сколь­ко и на что она тратила свою энергию при каждом очеред­ном столкновении с поверхностью. Здесь мы этого делать не будем. Это сделал студент в своей дипломной работе.

Каплеподшипники

Иные идеи привлекают не столько практическими послед­ствиями, сколько неожиданностью поворота мысли, та­лантливой курьезностью. Эстетическое наслаждение до­ставляет неожиданный взгляд на известное явление или процесс, решение, которое, казалось бы, на виду у всех, а заметил его кто-то один — более зоркий, менее пред­убежденный.

Идея каплеподшипников была высказана Я. И. Френ­келем в 1950 году. В «Журнале технической физики» появилась короткая, в одну страничку, заметка, в которой излагалась идея и высказывалась надежда на то, что она, эта идея, быть может, окажется полезной приборострои­телям. Существо идеи заключается в возможности замены в шарикоподшипниках стальных шариков жидкими кап­лями. Капли не смачивают поверхность гнезда и благода­ря этому сохраняют свою индивидуальность. Правда, неожиданно? Каленую сталь предлагается заменить жид­костью!

Осуществить такую замену, пусть в небольших и не очень нагруженных подшипниках, заманчиво, так как технология изготовления стальных шариков, диаметр которых должен выдерживаться с большой точностью, очень сложна и дорога.

Идея возникла после того, как были подробно и тща­тельно изучены закономерности движения свободной капли по наклонной плоскости и капли, расплющенной между двумя пластинками, из которых одна покоится, а другая — движется. Имеется в виду, что вещество капли плохо смачивает или не смачивает твердую поверхность.

Чтобы капля двигалась, ей совсем не нужно быть сфери­ческой. Капля жидкая, и потому она может перемещаться вследствие переливания жидкости сзади (и сверху) вперед (и вниз). Такое движение — оно отлично наблюдается, когда дождевая капля ползет вниз по оконному стеклу,— мгновенно бы прекратилось, если бы капля замерзла. Иными словами, то, что может быть доступно твердому телу только в случае, если ему придать форму сферы, капле доступно отнюдь не сферической, а расплющенной, потому что она жидкая.

Итак, капелька может двигаться между двумя поверх­ностями не механизмом качения, а механизмом перелива­ния. При таком движении капли (оно наблюдается и у очень сплющенных капель) ее центр движется со скоростью вдвое меньшей, чем относительная скорость взаим­ного перемещения пластин. Это очень напоминает движе­ние гусеничного трактора. Он движется со скоростью вдвое меньшей, чем скорость движения той части гусеничной ленты, которая не касается земли.

Еще одно важное свойство капель, укрепляющее идею каплеподшипников: с ростом давления, которое приложе­но к расплющенной капле, радиус жидкой лепешки растет медленно, лепешка упорно сопротивляется прилагаемой к ней нагрузке.