Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

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.

Капля, срывающаяся с пипетки или водопроводного крана, действительно имеет поначалу «каплеобразную форму» — тяжелая жидкость в «мешке» растягиваю­щейся капиллярной пленки, в первый момент скорость падения мала, и аэродинамические силы не оказывают влияния. Но может все-таки случиться, что летящая капля вытянется вдоль движения. Это произойдет, если силы трения, касательные к жидкой поверхности, пре­взойдут нормальные давления, например, для медлен­но движущейся вязкой капли или капли, «ползущей» в вязкой среде. Вопрос о форме капли в потоке совсем не прост — ему посвящены многие работы и тонкие экс­перименты. Выяснилось, что капля не сохраняет посто­янной формы — она «дышит», находится в состоянии колебаний. Мы видели: на поверхности движущейся капли силы в разных точках различны, значит, долж­ны возникнуть внутренние токи жидкости от большего к меньшему давлению. Опыт с мелким порошком вну­три жидкости показывает, что в капле возникают вихре­вые токи.

«Это все, может, и интересно,— скажет иной прагма­тически настроенный читатель,— но зачем нужны такие подробности?»

Нужны. Все для тех же камер сгорания, где при­ходится рассчитывать траектории капель. Траектории эти зависят от аэродинамических сил, от формы капли. Формулы механики полета любого тела, будь то само­лет или капля, содержат аэродинамический коэффици­ент сопротивления — С_х, который отражает силу сопро­тивления среды, направленную против скорости движе­ния тела. Он различен для тел разной формы. А где С_х, там и С_у — коэффициент подъемной силы, действую­щей по нормали к скорости: в аэродинамике эти коэф­фициенты «ходят парами». Оба они определяют взаимо­действие воздуха и, например, летящего самолета. А мо­жет ли у капли быть С_у? Иными словами, может ли горизонтально летящая капля вдруг пойти вверх? Мо­жет, если деформация ее относительно продольной оси несимметрична и в результате действующие на нее силы снизу и сверху окажутся неодинаковыми. Изредка на фотографиях наблюдалась траектория такой капли; какие-то причины вызывали несимметричную деформа­цию, и падающая в потоке капля вдруг взмывала вверх.

Вообще же скоростная фотография, не оправдавшая надежд как метод измерения капель, позволила понять механизмы каплеобразования, разглядеть много инте­ресного. Вот произошел рэлеевский распад медленной струйки: падающие капли причудливо колеблются, по­верхность принимает очертания сопряженных овалов и многоугольников — накладываются друг на друга коле­бания разных мод, то есть форм и амплитуд. За каж­дой каплей неизменным спутником следует маленький шарик Плато *. Если жидкость вязкая, например масло, колебания быстро затухают.

* См. МЭК — Шарик Ж. Плато.