Возьмем теперь немного воды, сколько может уместиться в ореховой скорлупе, и выльем воду. Разумеется, вода, ударившись о землю, расплеснется отдельными капельками. А теперь возьмем такое же количество воды и осторожно перенесем его в виде одной большой капли на кусок парафина, посыпанный сверху порошком ликоподия, который не смачивается водой. Что произойдет в этом случае? Вес капли прижмет ее к парафину и расплющит в плоскую лепешку. Что случилось бы, если бы можно было устранить действие тяжести? В этом случае капля испытывала бы действие только своей упругой оболочки, которая стремится придать капле такую форму, чтобы поверхность ее стала возможно меньшей. Она получила бы форму совершенно правильного шара, так как поверхность его и будет наименьшей из всех возможных при данном объеме. Например, если бы мы взяли капельку воды размером с булавочную головку, тогда вес, побуждающий каплю падать вниз или сплющиваться, стал бы значительно меньшим, между чем как величина поверхностного натяжения осталась бы прежней и имела бы большую формирующую способность, как это мы увидим далее. Поэтому поверхностное натяжение стало бы оказывать на форму капли более заметное влияние. Мы можем, следовательно, ожидать, что при достаточно малых размерах капли формирующая сила поверхностного натяжения будет в состоянии почти всецело противодействовать весу капли, и потому маленькие капельки должны иметь вид почти совершенно правильных шариков. Если ход этих рассуждений покажется кому-либо трудным, то один очень простой пример легко разъяснит дело. Вероятно, многие из юных читателей этой книги знают, как делается из бумаги коробочка, изображенная на рис. 14.
Рис. 14.
Вот одна такая бумажная коробочка емкостью в полбутылки, сделанная из небольшого куска газетной бумаги. Вы можете наполнить водой такую бумажную коробочку, носить ее, швырять с большой силой, и прочность бумажных стенок будет достаточна, чтобы удержать воду, пока коробочка не стукнется обо что-нибудь острое, причем бумага, разумеется, лопнет и вода выльется. Если же сделать подобную коробку из целого листа газетной бумаги, то она едва будет в состоянии удержать вес налитой в нее воды. Такую коробку можно наполнить водой, переносить ее, уронить с некоторой высоты, но уже нельзя ни трясти, ни бросать. Совершенно по той же причине слабая перепонка жидкости не может оказать заметного влияния на форму большого количества жидкости, тогда, как маленькая капелька под ее влиянием принимает такую правильную шарообразную форму, что на глаз вы не обнаружите в ней никаких неправильностей. Еще лучше это можно Наблюдать на капельках ртути. В большом количестве ртуть принимает вид лепешки, но, если вылить эту же ртуть на стол, чтобы она распалась на мелкие капельки, они примут совершенно правильную шарообразную форму. To же различие можно наблюдать и на крупинках золота (рис. 15).
Рис. 15.
Они теперь тверды, но предварительно были расплавлены, а потом затвердели. Из рисунка видно, что крупная капля золота сплющена собственным весом, а маленькая капелька представляется совершенно круглой. То же самое можно наблюдать и на капельках воды, если лить ее на поверхность стола, посыпанную ликоподием или другим веществом, не поддающимся смачиванию. Струйка воды, разбиваясь о поверхность стола, будет катиться по ней в виде маленьких правильных шариков. В жаркий день можно проделать этот опыт на пыльной дороге, брызгая на нее из лейки.
Если бы можно было устранить влияние веса жидкости, т. е. той силы, с какой она притягивается землей, то и большие капли принимали бы такую же правильную шарообразную форму, как и маленькие. Это было впервые показано на красивом опыте Плато. Он взял две несмешивающиеся жидкости, одинаково тяжелые, и поместил некоторое количество одной из них внутри другой. Спирт легче масла, тогда как вода, тяжелее его, но надлежащая смесь спирта и воды так же тяжела, как и масло, а потому масло, помещенное внутри такой смеси, не будет стремиться ни всплывать вверх, ни опускаться на дню. Перед фонарем я установил стеклянный ящик, содержащий смесь спирта и воды, и с помощью трубки медленно вливаю внутрь этой жидкости масло. Вы видите, что, как только я удаляю трубку, масло принимает форму правильного шара с диаметром, определяющимся количеством масла (рис. 16).
Рис. 16.
Теперь получилось два или три таких шара из масла совершенно правильной формы. Я хотел бы теперь обратить ваше внимание на то, что, когда я надавливаю с одной стороны на большой шар и затем предоставляю его самому себе, он восстанавливает свою прежнюю форму медленно, тогда как маленький шарик возвращается к своей правильной форме значительно быстрее. Есть еще один красивый опыт, который, хотя и не имеет прямого отношения к разбираемому нами вопросу, однако, вполне заслуживает того, чтобы показать его, тем более, что прибор вполне собран. Посредине стеклянного ящика проходит ось с диском, к которому я подвожу большой шар масла так, чтобы диск оказался внутри него. Теперь, когда я начинаю медленно вращать диск, масло тоже приходит во вращательное движение. По мере увеличения скорости вращения масло стремится разлететься в разные стороны, но удерживается своей упругой оболочкой. В результате шар масла сплющивается у полюсов и принимает форму, подобную форме земного шара. При дальнейшем увеличении скорости стремление масла расшириться становится, наконец, слишком значительным, преодолевает силу упругой оболочки, и от масляного шара отрывается кольцо (рис. 17), которое снова сливается с оставшимся шариком, как только скорость уменьшится.
Рис. 17.
Скорость вращения можно настолько увеличить, что кольцо разорвется на ряд шариков меньших размеров. Наблюдая красивый опыт Плато, невольно вспоминаешь о небесных телах, обращающихся вокруг солнца; здесь мы тоже видим центральное тело и ряд вращающихся шаров разных размеров, причем все они обращаются вокруг срединного тела в одном и том же направлении. Надо заметить, что силы, действующие в том и другом случае, совершенно различны, и то, что вы видите сейчас, не имеет ничего общего с солнцем и планетами.
Мы видели, таким образом, что большое количество жидкости может принять форму шара под влиянием свой упругой оболочки, если устранить, как в приведенном опыте, действие силы тяжести. Сила тяжести почти не играет роли, когда мы имеем дело с мыльным пузырем, потому что он чрезвычайно тонок и вес его совершенно ничтожен. В самом деле, всем вам прекрасно известно, что мыльный пузырь имеет совершенно правильную шарообразную форму, и теперь вы знаете, почему именно: причина заключается в том, что упругая перепонка, стремясь сократиться возможно сильнее, должна принять форму с наименьшей поверхностью при данном объеме, а такой формой оказывается шар. Добавим еще, что и здесь, как в случае с масляным шаром, большой мыльный пузырь будет восстанавливать свою форму значительно медленнее, чем маленький, если на стенки их надавить палочкой, завернутой во фланель или другую шерстяную материю.
Воспроизведение опыта с помощью спирта, воды и масла представляет известные трудности главным образом потому, что масло, имеющее ту же плотность, что и окружающая жидкость при данной температуре, становится легче, когда температура повышается, и тяжелее, когда она падает. С повышением температуры масло расширяется сильнее, чем смесь воды и спирта, вследствие чего и плотность его изменяется сильнее. В последней части этой книги я даю сведения о другой смеси жидкостей, которой я пользовался с хорошим результатом, но одна из них — сернистый углерод — обладает таким неприятным запахом и так легко воспламеняется, что эту смесь нельзя рекомендовать для широкого употребления.
Недавно найден другой, очень удобный и красивый способ для наблюдения капель жидкости. Самый подходящий для этого сосуд, который к тому же нетрудно достать, — это стеклянный колпак от столовых часов с плоскими боковыми стенками, чтобы избежать увеличения и искажения фигур, что неизбежно при наблюдении их через искривленные стенки круглого колпака. Надо приготовить раствор трех частей (по весу) обыкновенной соли в 100 частях воды; не следует брать соль с какими-либо примесями, которые не растворяются в воде и придают жидкости вид молока. Нужно взять простую, но совершенно чистую соль. Наполним теперь треть колпака этим раствором.
Затем будем осторожно, по стенкам, приливать к нему воду, чтобы она образовала слой поверх соляного раствора, затем, укрепив воронку с краном так, чтобы конец ее приходился несколько выше соляного раствора, станем медленно приливать через воронку жидкость, называемую ортотолуидином. Это жидкость красивого красного цвета, при температуре около 21° Цельсия она обладает плотностью, промежуточной между плотностью соляного раствора и воды. В результате может образоваться большая капля в пять или семь сантиметров в диаметре, и после удаления воронки она останется в покое в сосуде. При повышении температуры она немного поднимается, при понижении опускается.
Есть еще один подобный опыт. Берется сосуд с горячей водой при температуре между 77° и 82° Цельсия. В сосуд с водой подливают анилин. При температуре немного выше 63° Цельсия анилин обладает такой же плотностью, как и вода, но по мере повышения температуры он, расширяясь сильнее воды, становится легче ее, а при понижении температуры тяжелее ее. Анилин на поверхности воды охлаждается и сейчас же собирается в висячую каплю, которая отрывается от поверхности и падает на дно. Здесь анилин согревается, и вскоре вновь образуется большая капля, которая внезапно отрывается от дна и поднимается на поверхность[5]. Можно проследить медленное отрывание капель и образование маленьких промежуточных капелек, о которых мы поговорим отдельно.
Интересно также наблюдать движение маленьких круглых «глазков» тех жидкостей, которые плавают на поверхности чистой воды; это движение становится более заметным, когда жидкости не вполне чисты. Некоторое время такой «глазок» имеет круглую форму и остается в покое, но потом он вдруг начинает как-то конвульсивно двигаться, принимает форму почки или разрывается на два или больше пятнышек.
Когда на поверхности воды много таких «глазков», спокойное движение их становится непрерывным.
Подобно кусочкам камфары, «глазок» немедленно прекращает двигаться, если только коснуться поверхности воды жирным предметом или кусочком мыла. Диски «глазков» тогда внезапно утолщаются в маленькие чечевицеобразные кружки и остаются в покое.
Нефть, как известно, не смешивается с водой, но отделяется от нее и плавает на поверхности. Если же в воде растворить Некоторое количество мыла, тогда поверхностное натяжение раствора настолько ослабевает, что нефть отделяется от воды гораздо медленнее, если только она выделяется вообще. Травяные тли и. другие вредные насекомые не любят жидкого мыла с керосином, а потому эта смесь с пользой применяется для защитного обрызгивания деревьев. Когда керосин легко выделяется из жидкостей, дерево, обрызганное им, само будет страдать не меньше, чем насекомые, но, если он останется в виде эмульсии в жидкости, дереву не причиняется вреда.
Главный результат, полученный нами из всех описанных наблюдений, следующий. Наружная поверхность жидкости обнаруживает такие свойства, как будто она выделяет из себя упругую оболочку; эта последняя, сокращаясь, стремится придать жидкости такую форму, чтобы поверхность ее стала наивозможно меньшей. Обычно вес жидкости, особенно если мы имеем дело с большим количеством ее, слишком велик по сравнению с небольшой силой упругой оболочки, и действие этой силы может остаться незамеченным. Действие тяжести может быть устранено погружением одной жидкости в другую, равной с ней плотности, и притом такую, которая не смешивается с первой. Влияние силы тяжести почти незаметно, если мы станем рассматривать очень маленькие капельки или пузырьки, потому что в этом случае вес тела ничтожно мал, тогда как упругая сила оболочки остается неизменной. Различные жидкости обладают перепонками с различной силой поверхностного, натяжения. Когда две несмешивающиеся жидкости приводятся в соприкосновение одна с другой, иногда наблюдаются интересные явления.