Необыкновенная жизнь обыкновенной капли - Марк Волынский

Он говорил образно, передавая слушателям ощуще­ние строгой красоты своих построений. Мы начинали понимать, как в природе все виды энергии — механиче­ская, электрическая, лучистая — самопроизвольно стре­мятся перейти в тепло. Оно — всеобщая «сберкасса», охотно принимает вклады. Но выясняется — тут ковар­ство: это «сберкасса наоборот», с отрицательным про­центом. Попробуйте вернуть вклад, то есть с помощью машины превратить тепло обратно в работу — вам вы­дадут лишь часть, удержав значительную долю: в при­роде идет непрерывное обесценение энергии. Энтропия есть мера этого процесса.

Лектор все время шел к обобщениям, он развивал единый подход к системе, когда она близко подходит к состоянию равновесия или только начинает выходить из него. Он выстраивал законченные сооружения, создан­ные по строгому плану. Он мне всегда казался по­томственным петербургским интеллигентом, впитавшим лучшие черты прежней культуры, педагогом высокого класса.

В свете теперешних представлений теории информа­ции энтропия приобретает еще более общий и ощути­мый смысл. Она оказывается мерой хаоса (в том числе и молекулярного), беспорядка, бесструктурности систе­мы, Скажем, помехи, искажения текста при передаче сигналов могут тоже оцениваться с помощью энтропии. Но к восприятию новых идей надо идти от хорошо по­нятых классических, которые нам так глубоко излагал Александр Адольфович Гухман.

 * * *

В то утро я спешил в институт с желанием скорее приступить к наблюдениям. Уже в проходной я услы­шал оживленные разговоры — упоминалась, как ни странно, наша «царь-форсунка». А случилось вот что. Накануне ее демонстрировали группе научных работни­ков. Руководивший опытом инженер Клячко подсоеди­нил форсунку прямо к пожарному гидранту. Крепление оказалось неплотным, мощная струя воды брызнула из зазора, и форсунка стала угрожающе поворачиваться в сторону зрителей. Клячко «героически» бросился к стыковочному узлу и тут же был промочен до нитки. А форсунка с неумолимостью Немезиды продолжала поворачиваться в прежнем направлении и накрыла опе­шивших наблюдателей огромной розеткой из воды. Теперь усмирять «царь-форсунку» выпало мне. Начиная эксперимент, я установил минимальное давление: менее десятой доли атмосферы, когда появляется так на­зываемый режим пузыря. Постепенно подняв давление жидкости чуть выше и убедившись, что крепления на­дежные, я подошел вплотную к корню факела. Передо мною у соплового отверстия блестела «рюмочка» жидко­го гиперболоида (см. рис. 8).

(Этот гиперболоид мне представлялся отрезком башни Шухова в миниатюре — знаменитой тогда в Мо­скве радиобашни станции «Коминтерн». Талантливый изобретатель В. Г. Шухов получил криволинейный кон­тур ажурной конструкции из прямых балок — снова мудрость простых форм.)

Здесь, у корня факела, кривые очертания «рюмочки» возникали из прямолинейных линий тока, по ним шел вектор скорости V вырвавшихся струй — результирую­щая касательной и и осевой w скоростей в сопле фор­сунки. Линии ясно различались на жидкой поверхности, прочерченные бугорками шероховатости стенок форсун­ки. Далее виднелась туманно-зыбкая непонятная об­ласть, из которой широко разлетался веер струй. Если часто моргать глазами («каждый сам себе стробо­скоп»), в струях удавалось различить вереницы капель.

Однако для серьезных наблюдений глаз был, конеч­но, бессилен, требовалась искровая фотография. Только она могла сделать невидимое видимым. Дальнейшие эксперименты с применением этого метода показали «водную феерию» распада во всем великолепии (рис. 11).

Рис. 11. Распад пелены центробежной форсунки

На поверхности пелены, вытекающей из сопла форсун­ки, начинают развиваться волны возмущений. Физика та же, что и в случае цилиндрической струи, только проявляется в более сложных формах.

Не сразу мне удалось разобраться в путаном круже­ве распада. Сначала факел распыливания представлял­ся каким-то струйным «веником». Потом, наоборот, в глаза полезли кольцевые структуры. Картина складыва­лась постепенно из просмотра многих серий фотогра­фий. Наконец я увидел: на пелене развиваются две группы волн (рис. 12). Гребни первой, идущей по дви­жению струи, видны на контуре ее границы. Они опоя­сывают поток, стремясь превратить пелену в кольца, нанизанные на ось форсунки. Вторая группа идет по окружности пелены (перпендикулярно первой) и стара­ется разделить жидкость на веер струй, расходящихся из центра сопла.

Эти волны видны на фотографии у корня факела («ребристая структура»). В зоне распада («туманно­зыбкая» область, которую я силился разглядеть нево­оруженным глазом) обнаруживаются кольца или вол­нистые круговые нити. Это отделившийся гребень коль­цевой волны антисимметричного возмущения. Нить рвется на фрагменты, превращающиеся в капли,— результат развития возмущений на каждом отдельном кольце.

Рис. 12. Факел распыливания центробежной форсунки: а — рисунок по фотографии, сделанной при большой экспозиции, б — схема рас­пада пелены (образование волн)

При более высоких давлениях жидкости — в десят­ки атмосфер — с поверхности срываются в виде роя ка­пель гребни мельчайших волн, прежде чем кольцо длин­новолновых колебаний полностью сформируется. Это здесь при больших скоростях жидкости возникают мел­комасштабные волны возмущений.

Я долго любовался искровыми фотографиями, кото­рые раскладывал пасьянсом на своем столе. А как объяснить все это теоретически? Провести точное мате­матическое решение для такого сложного течения не представлялось возможным. «Смело упрощайте за­дачу,— вспомнил я совет старших, более опытных иссле­дователей,— обрубайте боковые ветви, только не зару­бите сам ствол...»

«Волны возмущений начинаются сразу на рюмочке гиперболоида, а он близок к цилиндру,— рассуждал я.— Если полый цилиндр развернуть, получится плос­кая пелена; с плоским течением уже можно справить­ся». Использовав метод малых возмущений из работ Рэлея и Г. И. Петрова, я нашел решение. Течение оказа­лось неустойчивым, определилась оптимальная волна λопт — слой должен был распадаться на фрагменты с характерным размером волны.

Доклад на эту тему я делал в один из холодных дней послевоенной зимы, стоя у доски в огромных под­шитых валенках; мел не слушался замерзших пальцев. В нетопленом конференц-зале носились «дышки», но аудитория была многочисленной. И вскоре все согре­лись от тесноты и горячей дискуссии. Выступали инже­неры из разных конструкторских бюро.

— Помогите определить спектр распыливания на­ших форсунок. У нас уже накопился большой опыт по отработке камер, теперь необходимо сопоставить их параметры с параметрами спектра.

Стало ясно, что необходимое инженерам количе­ственное решение задачи о спектре математике пока не дается, нужно скорей научиться измерять каплю.

Прошли многие годы, прошелестели многие сотни страниц научных работ теоретиков в попытке решить задачу спектра, но «воз и ныне там». А требование практиков мы через некоторое время удовлетворили — пришел на помощь эксперимент.

Перипетии судьбы

Итак, распад струй, разрыв непрерывности, который представлялся на первый взгляд мгновенным скачком, при внимательном исследовании оказался сложным мно­гоступенчатым процессом. Но вот из катастрофы распа­да родилась капля. Как она ведет себя и движется дальше? Какова форма летящей капли?

Обычно следует ответ, что капля, двигаясь, вытянет­ся под действием воздуха вдоль траектории, станет об­текаемой. Действительно, каплеобразная форма — сим­вол хорошо обтекаемого тела и стремительного полета. Память подсовывает и образ из другого, соседнего, ря­да — капля, висящая на пипетке или кончике пера. Но ответ этот — классический пример ложного хода интуи­ции. Если взглянуть на искровые фотографии движущих­ся капель, можно заметить, что они в самом деле де­формированы встречным потоком, но многие, особенно крупные, капли странным образом вытянуты не вдоль, а поперек линии полета. Капля становится не более, а ме­нее обтекаемой. Рис. 13 объясняет этот кажущийся парадокс.

На схеме показано распределение нормаль­ных давлений (перпендикулярных поверхности обтекае­мого шара): значками « + » и «—» обозначены соответ­ственно зоны повышенного и пониженного давления (сравнительно с атмосферным и статическим давлением внутри жидкости). Лобовые силы плющат каплю, дру­гие вытягивают ее с боков и у «кормы». Получается (вместо обтекаемой сигары) дискообразное тело.