Чтобы сердце работало надежно, игла должна коснуться капли либо в ее центре, либо в одной из точек на ее контуре.
Пульсации ртутного сердца — зрелище впечатляющее: на чистой поверхности капли возникают переливающиеся блики причудливой формы, и контур капли приобретает быстро меняющиеся очертания, которые повторяются в каждом очередном цикле пульсаций. Сердце работает без устали: мы оставляли его на час, на два, а однажды оставили на ночь и утром нашли пульсирующим.
Теперь о механизме пульсаций ртутного сердца — капли ртути, которая непрерывно вздрагивает от соприкосновения с железной иглой.
Вначале о двух эффектах, с которыми необходимо ознакомиться, чтобы понять причину пульсаций ртутной капли. Первый эффект заключается в понижении поверхностной энергии металла, если на его поверхности имеется избыточный электрический заряд. Проще всего это понять на примере жидкой металлической капли. Например, капли ртути. Пусть радиус капли Я. Если она не заряжена, вещество, находящееся в ее объеме, будет испытывать сжимающее давление Рл= 2α/R. Оно обусловлено искривленностью поверхности и величиной поверхностной энергии. Допустим теперь, что по поверхности капли распределены заряды, величина которых q. Очевидно, носители этого заряда будут отталкиваться друг от друга с силой, величина которой в соответствии с законом Кулона будет пропорциональна q2/R2. Эта сила обусловит растягивающее давление. Его величину можно оценить, отнеся растягивающую силу к площади сечения капли S ~ R2. Растягивающее давление, как легко видеть, пропорционально величине Pq ~ q2/R4
Эти соображения и оценки нам уже встречались
в очерке об опыте Рэлея — Френкеля. Они нужны были для того, чтобы понять причину разрыва капель в электрическом поле. Давление Рq вычитается из лапласовского. Это означает, что при неизменном объеме сферической капли, и следовательно при постоянном радиусе, наличие на ее поверхности электрического заряда приведет к понижению сжимающего давления, которое равно Рi=Рл — Pq = 2αi/R
Это обстоятельство может быть представлено как следствие понижения поверхностной энергии на величину Δα = α — αi .
Из равенства, которое определяет Рi следует, что
Δα ≈ q2/R3 ≈ q2
Я не стремился к тому, чтобы расчет был точен,— важно иметь лишь основание утверждать, что величина понижения поверхностной энергии не зависит от знака заряда, находящегося на поверхности. Порукой тому — квадратичная зависимость величины понижения поверхностной энергии от величины заряда.
Все это нам необходимо знать, так как капля ртути в растворе соляной кислоты, принимая участие в химической реакции, получает заряд, и поэтому поверхностное натяжение на границе капля ртути — раствор понижается. Не будем подробно интересоваться процессами на этой границе, так как для нас неважен знак заряда, возникающий на ней.
С помощью простого опыта легко убедиться в том, что в момент, когда железная игла соприкасается с поверхностью ртути, величина заряда на ней уменьшается, а вместе с ним уменьшается и то понижение поверхностной энергии, которое наступило, когда капля ртути была залита раствором соляной кислоты. Два последовательных отрицания равносильны одному утверждению: уменьшение понижения означает повышение. В момент прикосновения железной иглы к поверхности ртути ее поверхностное натяжение немного увеличивается. Следствием этого увеличения должно быть некоторое сжатие капли, которая на дне чашки под собственной тяжестью расплющилась, и частичное приближение ее формы к сферической. Это отчетливо наблюдается, если в центре капли в ее тело погрузить металлическую иглу; капля вздрогнет, и ее диаметр явно уменьшится. Мы проделывали этот опыт многократно на каплях различных размеров. Оказалось, что, чем меньше радиус расплюснутой капли, тем больше его относительное уменьшение, но уменьшение происходит всегда.
Биение ртутного сердца. Железная игла касается контура капли
Вот теперь можно понять механизм пульсаций. Начнем со случая, когда железная игла касается ртути в точкена контуре капли. В момент соприкосновения иглы с поверхностью ртути — соприкосновения, а не внедрения!— ртутная капля уменьшает диаметр, и контакт между нею и иглой нарушается. После этого величина поверхностной энергии должна возвратиться к значению, которое было до соприкосновения иглы с каплей, т. е. должна понизиться, и радиус ртутной капли возрастает. Это значит, что капля соприкоснется с иглой и все начнется снова: сокращение капли, нарушение контакта, расширение капли, восстановление контакта и т. д.