Рис. 2.24 / Задача 2.72. Волна, набегающая на берег (вид сверху). Следующая набегающая волна показана пунктирной линией.

С древнейших времен люди знали, что слой масла (например, оливкового) на воде может даже при сильном ветре уменьшить или вообще погасить волны. Это хорошо знал и Бенджамин Франклин, который часто прихватывал на пикник небольшую бутылочку масла в надежде продемонстрировать этот эффект. Однажды такой пикник проходил вблизи ручья. Когда легкий ветерок поднял небольшие волны, Франклин прошел вверх по ручью, сделал несколько «магических» пассов своей бутылочкой так, чтобы гости не видели, как он разливает масло. К их крайнему удивлению, волны практически сразу улеглись и ручей успокоился.

Когда летишь над водой, можно заметить грязные штилевые пятна[44]. Поскольку на таких пятнах волны меньше (или их совсем нет), их освещенная солнцем плоская поверхность оказывается ярче, чем окружающая незагрязненная поверхность воды. Почему же масло успокаивает волны?

ОТВЕТ • Масло или другие загрязнения успокаивают воду по трем причинам. 1. Растекшееся масло образует вязкий слой (в нем внутреннее трение затрудняет скольжение одного слоя воды относительно другого). Поэтому энергия образовавшейся волны расходуется быстро. Этот эффект играет особо важную роль в случае коротких волн (расстояние между идущими подряд гребнями мало). 2. Когда дует ветер, волны обычно развиваются из мелкой ряби. Если ряби нет, более сильные волны появиться не могут. 3. Слой затрудняет обмен энергией между длинными и короткими волнами.

В некоторых кофемашинах кофе по капелькам капает в сосуд. Такие капли должны были бы, разбрызгивая кофе, быстро слиться с остальным кофе, а вместо этого они парят над поверхностью кофе, иногда даже проделывая несколько раз путь от одной стенки сосуда к другой.

А еще парящие капли можно получить, повозив по столу обычный пенопластовый стаканчик с кофе (или каким-нибудь другим напитком), раз за разом прижимая, а затем останавливая его. Если стакан достаточно быстро двигать зигзагами, из колеблющейся жидкости могут выплескиваться вверх капли. Падая обратно в стакан, они, вместо того чтобы немедленно смешаться с остальной жидкостью, могут остаться парить над ее поверхностью. Если перестать двигать стакан, капли быстро погружаются в жидкость.

Когда вода льется из крана в плоскую раковину, вокруг места падения струи образуется кольцевая область и окружающая ее водяная стенка. В этой области, то есть внутри стенки, поток воды мелкий и быстрый; снаружи он медленнее и не такой мелкий. Таким образом, водяная стенка — это граница, на которой поведение потока воды меняется. Если из пипетки капнуть воду прямо у этой стенки с внутренней стороны, то есть в пределах кольцевой области, капля может некоторое время парить над поверхностью воды.

Что же во всех этих случаях позволяет каплям воды парить над поверхностью?

ОТВЕТ • Капли могут быть подвешены над поверхностью жидкости из-за электростатического отталкивания молекул капли и молекул на поверхности жидкости. Добавим жидкое мыло в сосуд с водой и в каплю. Молекулы мыла стремятся собраться на поверхности жидкости. При этом их гидрофильные (водолюбивые) концы спрятаны в воду, а гидрофобные (отталкивающие воду) концы торчат наружу из воды. Гидрофобные концы, торчащие и из капли, и из сосуда с водой, отталкиваются друг от друга, удерживая каплю в воздухе. Кроме того, может играть роль электризация трением, возникающая при движении по столу стакана, в котором вы готовили мыльный раствор.

Процесс может развиваться и так. Предположим, что капля падает в неподвижный сосуд с очень маленькой высоты. Пока она снижается и еще не коснулась в первый раз поверхности жидкости, воздух из-под нее вытесняется. Затем капля наполовину погружается в воду. Возникает волна, распространяющаяся по поверхности капли, которая «отщипывает» погрузившуюся половину, немедленно сливающуюся с жидкостью в сосуде. Верхняя часть капли продолжает опускаться, а воздух под ней отчасти поддерживает ее, но и продолжает вытекать наружу. Затем она тоже касается жидкости в сосуде. Опять по капле пробегает волна, отрывает ее нижнюю половину, которая немедленно погружается в контейнер. Это может повторяться несколько раз, до тех пор, пока капелька, оставшаяся от начальной капли, уже не разорвется пополам, а полностью растворится в жидкости в сосуде.

Теперь посмотрим, что происходит в кофемашине, где капли кофе падают одна за другой в сосуд. Падающая капля может достичь поверхности кофе в сосуде именно тогда, когда заполняется кратер, оставленный предыдущей каплей. Под напором поступающей в кратер жидкости новая капля отскакивает. Когда после этого капля опять опускается, она вытесняет из-под себя воздух, однако какое-то время этот воздух поддерживает каплю. Объяснить, почему в раковине с льющейся в нее водой парит капля, можно почти так же. Только в этом случае поток воды непрерывно затягивает под каплю новый воздух, обеспечивая ей поддержку, и капля тормозится около водяной стенки.

Если сосуд с жидкостью и капля колеблются, движение помогает достаточно быстро закачивать под каплю воздух, что обеспечивает ее поддержку. Именно это и происходит, когда пенопластовый стаканчик возят туда-сюда по столу. Вероятно, можно добиться того же результата, если удастся как-то заставить каплю и жидкость в сосуде совершать вертикальные колебания с той же частотой, что и в стаканчике.

Также каплю можно удержать над поверхностью жидкости, если ее температура или температура воды в сосуде очень велики. В этом случае каплю поддерживает пар, образовавшийся при испарении воды. Этот механизм, обычно называемый эффектом Лейденфроста, мы обсудим в главе 4, посвященной тепловым явлениям.

Что происходит с каплей воды, например дождевой каплей, когда она сталкивается с твердой горизонтальной поверхностью или с водой в луже? Почему некоторые капли разбрызгиваются (частички этих капель летят вверх и в стороны), а другие нет?

Когда детектив обнаруживает на месте преступления кровавое пятно, он понимает, что кровь либо вытекала из жертвы по капле, либо била фонтаном. Но ему надо по размеру пятна определить скорость и размер капель. Это дело сложное, поскольку размер оставшегося пятна зависит и от того, и от другого: если капля маленькая, но скорость ее большая, размер пятна может оказаться больше, чем в случае, если капля больше, но движется она медленнее. Есть ли способ получить такую информацию, анализируя пятно? (Представьте, что вы Шерлок Холмс.)

ОТВЕТ • Рассмотрим сначала падение капли на твердую поверхность. В зависимости от обстоятельств капля, ударившаяся о твердую поверхность, может либо разбрызгаться, либо растечься по поверхности (смочить ее) или сначала отскочить от поверхности, а затем разбрызгаться или растечься. При разбрызгивании капли образуется неглубокий, почти круглый слой с короной (приподнятым внешним краем). Когда корона формируется, из нее вылетают мелкие капельки. Образование капелек обусловлено тем, что, когда увеличение размеров короны замедляется, она становится неустойчивой. Одна из волн, возникших на этой стадии и распространяющихся вдоль короны, становится доминирующей, а ее наиболее высокие точки, зубцы короны, отрываются, образуя капельки. На пятнах, оставленных брызгами, часто видны вытянутые языки — следы от зубцов короны. Длина основной волны, приведшей к неустойчивости, приближенно равна длине окружности, ограничивающей разбрызгавшуюся каплю, деленной на число оставшихся языков.