2.81. Бусинки на прутике и на нити из слюны

Когда никто не видит, запустите пальцы в рот. Большим и указательным пальцем соберите немного слюны с внутренней стороны щеки и поскорее выньте пальцы. Потихоньку разводя пальцы, растяните слюну. Почему на нити слюны образуются шарики, похожие на бусинки (рис. 2.25)?

Рис. 2.25 / Задача 2.81. Появление бусинок на нити слюны, которую растягивают между большим и указательным пальцем.

Погрузите тоненький прутик (или нитку) в стакан с маслом или медом и потяните вертикально вверх. Почему, когда жидкость стекает с прутика, образуются бусинки? Почему одна из бусинок, самая большая, поглощает на своем пути более мелкие бусинки и почему за ней образуется еще больше бусинок?

ОТВЕТ • Поверхностное натяжение (то есть взаимное притяжение молекул слюны) стремится минимизировать поверхность вытягиваемой ниточки слюны. Сначала, когда вы только начинаете растягивать слюну, диаметр нити не слишком мал, и цилиндрическая поверхность имеет минимальную площадь, поэтому нить имеет цилиндрическую поверхность. Случайные возмущения, например неизбежное подрагивание пальцев, приводят к возбуждению волн, распространяющихся по ниточке слюны. Эти волны искажают ее цилиндрическую поверхность, которую поверхностное натяжение быстро восстанавливает.

Чем дальше вы разводите пальцы, тем меньше становится диаметр нити, и наконец, когда длина распространяющейся по ней волны оказывается больше ее диаметра, нить становится неустойчивой. Дело в том, что в этом случае искажения уменьшают полную площадь поверхности ниточки. Это значит, что поверхностное натяжение не устраняет возникшее возмущение, а усиливает его. Расширившиеся участки нити поверхностное натяжение растягивает в бусинки, а те места, где диаметр нити уменьшился, становятся еще уже. Расстояние между бусинками примерно соответствует длине волны, вызвавшей это изменение формы. (Если между бусинками покрупнее есть маленькие бусинки, вероятно, было несколько циклов образования бусинок, причем длины волн, участвовавших в этом процессе, всякий раз были разные.) Конечное расстояние между бусинками может быть таким маленьким, что заметить его будет трудно.

Тонкий слой жидкости на прутике (или нити) нестабилен по тем же причинам: случайные возмущения и поверхностное натяжение меняют его форму и приводят к образованию бусинок. Если прутик опущен вертикально вниз, бусинки, особенно крупные, могут стекать по нему. Встречающиеся на их пути бусинки меньшего размера сливаются с ними, но после того, как крупная бусинка спустилась ниже, оставшийся за ней тонкий слой тоже может разбиться на бусинки. Правда, если пленка слишком тонкая, стекающая вниз жидкость препятствует образованию новых бусинок.

Некоторые пауки, делающие ловчие сети (тенета), используют образование бусинок при строительстве паутины. Когда основная паутина построена, они покрывают место, предназначенное для ловли мух, жидкостью, из которой на нити немедленно образуются липкие бусинки. Муха, попавшая в такую ловушку, не сразу может из нее выбраться. Запутавшаяся муха бьется в паутине, по дрожанию паутины паук определяет, что муха поймана, и успевает добраться до нее.

Образование пузырей можно наблюдать и при сварочных работах. Если источник тепла движется вдоль поверхности стали, за ним остается постепенно затвердевающий жидкий след. При определенных значениях скоростей сварочного аппарата на этом следе можно видеть ряд горбиков (или неровностей). До того как след затвердеет, поверхностное натяжение расплавленной стали может привести к образованию «бусинок». Но если источник тепла движется слишком медленно или слишком быстро, бусинки не образуются.