2.153. Лучики оливкового масла на покрытой тальком воде

В мелкую миску нальем немного воды и сверху насыплем небольшое количество талька (детской присыпки). Слегка подуем, чтобы распределить тальк равномерно (поверхность воды должна выглядеть пыльной: частички талька очень маленькие и по отдельности незаметны). Выпрямим канцелярскую скрепку и ее кончиком сначала дотронемся до оливкового масла, а затем очень быстро где-то посередине покрытой тальком поверхности воды.

Если талька совсем мало и расстояние между его частичками велико, масло просто разгонит тальк и образуется практически круглое, свободное от талька пятнышко. Если талька много, масло не сможет растолкать его частички и останется каплей на поверхности воды. Однако если талька и не слишком много, и не слишком мало, образуются лучики, исходящие из точки, где скрепка коснулась воды. Почему так происходит?

ОТВЕТ • Масло стремится растечься по поверхности тонким слоем, возможно, даже монослоем толщиной в одну молекулу (когда-то на этом основании были получены данные о размере молекул). Если на пути масла талька мало, оно легко расталкивает его частички. Если талька слишком много, его частички образуют затор и не могут двигаться, и тогда масло остается на месте в виде капельки. Однако в промежуточной ситуации талька не так много, чтобы образовался затор, но достаточно, чтобы благодаря взаимодействию его частичек среда стала очень вязкой. В этом случае менее вязкое масло стремится проложить себе путь через более вязкую смесь талька с водой.

Граница между жидкостями с разной вязкостью нестабильна относительно случайных возмущений, приводящих к появлению волн вдоль этой границы. Каждая из таких волн — чередующиеся небольшие области внедрения масла в смесь талька с водой и талька с водой в масло. Одна из этих волн является доминирующей, и соответствующие ей внедрения быстро нарастают, образуя узкие лучи. Когда эти лучи удлиняются, они очищают поверхность от талька, оставляя в покрытой тальком воде видимые чистые следы.

Подобные лучеобразные нестабильности часто изучают в ячейке Хеле-Шоу (названа по имени английского изобретателя Генри Хеле-Шоу). Это две пластины из прозрачной пластмассы, отделенные друг от друга тонкой резиновой прокладкой. Ячейку заполняют жидкостью. Вторая жидкость вводится шприцем в центр ячейки через маленькую дырочку в одной из пластин. Видно, что вторая жидкость растекается по первой наподобие лучей. Некоторые из них напоминают папоротники или лепестки цветов.