Много физических явлений связано с весенней капелью. Например, можно рассказать о закономерностях образования изумительной по совершенству и красоте «каплевидной» формы капли, готовящейся оторваться от тающей сосульки. Не могу объяснить почему, но форма набухающей капли мне представляется верхом геометрического совершенства. Разве лишь сфера может сравниться с ней по красоте и логической законченности формы. Можно рассказать о солнечных бликах, живущих на поверхности капли, которая набухает на кончике сосульки. Блики колеблются в ритме дыхания набухающей капли. Можно рассказать о весеннем звоне, который, по мысли поэта, сопровождает полет сосульки из зимы в весну. Звон капели звучит во многих стихотворных и музыкальных строчках, и, конечно же, следовало бы рассказать об акустике удара капли о поверхность воды или льда, покрытого водяным слоем. Капля разбивается на мелкие осколки, и каждый из осколков вносит свое звучание в весенний звон.
Много физических явлений связано с весенней капелью, а здесь рассказ лишь об одном из них — о том, что происходит в тот момент, когда набухшая капля отрывается от родившей ее сосульки. Обычно глаз этого явления не замечает, точнее — в глаза оно не бросается. А кинокамера помогла сделать его зримым, очевидным.
Перед нами две кинограммы, смонтированные из кадров ленты, на которую был заснят процесс отрыва капли от двух различных сосулек, одна из которых — поострее, а другая — потупее. Первые кадры на этих кинограммах практически одинаковы. Они рассказывают о том, что набухающая капля увеличивает свой объем и, двигаясь по направлению к земле, вытягивает тонкую перемычку — связующее звено между сосулькой и каплей. Затем капля от перемычки отрывается и свободно падает, а оставшаяся перемычка начинает изменять свою форму. Она укорачивается, утолщается в нижней части и в виде сформировавшейся капельки отрывается от сосульки. Итак, рождению каждой крупной капли сопутствует рождение еще одной маленькой капельки. Ее объем существенно, приблизительно в 100 раз, меньше объема первой капли, и, как правило, глаз ее не замечает.
Капелька, возникшая из перемычки, подпрыгнув, иногда возвращается к сосульке
Судьба маленькой капли оказывается очень неожиданной. Возникнув,она не летит вслед за падающей большой, а, наоборот, начинает двигаться вверх, по направлению к сосульке. Иногда это движение оканчивается тем, что малая капля достигает сосульки и как бы поглощается ею, а иной раз, немного переместившись вверх, она летит вниз вслед за большой.
Судьба маленькой капли зависит от того, какой толщины была перемычка, превратившаяся в капельку, а толщина перемычки зависит от того, насколько остра тающая сосулька. Капельки, возвращающиеся в сосульку, обычно рождаются сосульками остроконечными. Кинограммы потому и различаются последними кадрами, что они относятся к сосулькам с разным углом при вершине.
Попытаемся понять то, о чем рассказывают кинограммы. После отрыва большой капли с перемычкой происходят два процесса: первый — на ее конце формируется маленькая капелька; второй — капиллярными силами эта капелька подталкивается вверх. Эти силы не возникли бы, если бы капля была обособленной, ограниченной сферической поверхностью. В такой капле было бы лишь скомпенсированное давление всестороннего сжатия. Капля на кончике сосульки вверху не закрывается сферической поверхностью, и поэтому к противоположному участку ее поверхности приложена нескомпенсированная сила, обусловленная лапласовским давлением Рл; она-то и толкает каплю вверх.
А иногда она сосульки не достигает
В тот момент, когда маленькая капля, сформировавшись, отрывается от сосульки, она еще продолжает двигаться вверх. Достигнет или не достигнет она сосульки, зависит от ее массы, от соотношения между силой, толкнувшей каплю вверх (F ↑), и силой тяжести (F ↓), но некоторое движение вверх, как правило, наблюдается всегда.
Из перемычки, соединяющей каплю и жидкость в пипетке, образуется множество капель-сателлитов
Точно, с помощью формул, описать все происходящее с маленькой каплей очень не просто. Ограничимся приближенной оценкой. Сила, вынуждающая капельку падать вниз, определяется точно:
F ↓ = mg = 4/3 πR3 ρg
А вот силу, толкающую каплю вверх F ↑, можно лишь грубо оценить, придав определенное значение диаметру перемычки, соединяющей капельку с сосулькой. Если R — радиус капли, r — радиус перемычки, а Рл = 2α /R, то F ↑ ≈ Рлπr2 = 2απr2 /R