Известно, что «капля камень долбит» — ив переносном и в прямом смысле слова. В одном крымском селе я видел лежавшую у дома под крышей глыбу камня ракушечника, которая на полуметровую глубину была разрезана водяными каплями, падавшими во время дождя с крыши. Жестяная крыша оканчивалась ровной кромкой, и продолбленная каплями прорезь вкамне эту кромку повторяла. В камне попрочнее каплям, возможно, не удалось бы сделать такую глубокую прорезь, а ракушечник — хрупкий и сыпучий — поддался, и вода разрезала его почти надвое.
Откуда у жидких, «мягких» капель эта способность долбить камень? Впрочем, быть может, это иллюзия, что вода во всех случаях жизни мягкая? Ведь если плашмя упасть на воду, можно убедиться, что она совсем не так уж мягка. А рука, медленно движущаяся в воде, свидетельствует об ином: вода легко расступается, уступая ей место. Одна и та же вода в одном опыте оказывается совсем не мягкой, а в другом — ее мягкость вне сомнений.
Видимо, надо договориться о понятии слова «мягкий», вложить в него определенный физический смысл. Если мы каким-то движущимся предметом прилагаем усилие к некоторому телу и это тело послушно меняет свою форму, успевая следовать за движущимся предметом, мы говорим, что тело «мягкое». Уйдем от общих слов и будем рассуждать конкретнее. Пусть «движущийся предмет» — наша рука, а «некоторое тело» — вода. Если рука движется в воде медленно — вода мягкая, если же быстрым движением ударить рукой по воде — ощущается боль, несовместимая с представлением о мягкости. Все дело в том, как успевает вода следовать за движением руки. Вода имеет вязкость, и поэтому скорость ее реакции на движущуюся руку ограничена, она не успевает следовать за «быстрой» рукой, препятствует ее движению, и в этом случае ощущение мягкости воды исчезает: в момент удара по ней она ведет себя подобно твердому телу.
Вернемся к каплям, падающим с крыши на глыбу ракушечника, что лежит под ней.
Попробуем разобраться, что происходит с каплей, падающей на твердую поверхность. Вначале — о силе удара или, лучше, о давлении па поверхность, возникающем вследствие удара капли о нее. Чтобы это давление оценить, удобно представить себе не летящую каплю, а цилиндрическую струю, которая на своем пути встречает поверхность твердого тела. В оценке, которую мы получим, характеристики формы струи нет, поэтому она будет годна и для капли.
При внезапном столкновении струи с преградой последняя испытывает на себе действие так называемого гидродинамического удара. За этим научным термином стоит, в сущности, простое физическое явление: в момент столкновения струи с преградой в струе в направлении, противоположном ее движению, начинает распространяться волна торможения. Наглядную иллюстрацию этому дал профессор Г. И. Покровский в своей книге «Гидродинамические механизмы». Он обратил внимание па внешнюю аналогию между заторможенной струей и потоком автомашин, внезапно остановленным вспышкой красного света: у светофора возникает скопление машин, которое будет распространяться прочь от светофора, навстречу заторможенному потоку. Следует подчеркнуть, что сигнал о том, что поток автомобилей заторможен, движется со скоростью, меньшей скорости их движения, а волна торможения в струе движется со скоростью звука в воде, которая равна с = 1,5 •105 см/сек. и, конечно же, больше скорости капли, падающей с крыши.
Вспомним о том, что согласно закону Ньютона сила (F) есть произведение массы (т) на ускорение (а), которое, как известно, является отношением изменения скорости (Δυ) к времени (τ), в течение которого оно произошло. Этот закон можно записать в виде формулы:
Fτ = mΔυ.
Масса струи, заторможенная за время τ, очевидно, равна т =cτsρ, где s — сечение струи, а ρ — плотность жидкости. Так как изменение скорости остановленной струи равно скорости ее движения, то закон Ньютона можно переписать в форме, определяющей давление Р = F/s которое мы ищем:
Р = ρυс.
Как и было обещано, полученная формула не содержит ни длины, ни сечения струи и ею можно пользоваться применительно к капле.
В полученной формуле рис известны, а величину V следует обсудить. Интуиция подсказывает, что, когда скорость капли мала, близка к нулю, гидродинамического удара в полной мере не произойдет. Капля расплющится, растечется по поверхности, не ударив ее.