2.75. Разбрызгивающиеся капли

Что происходит с каплей воды, например дождевой каплей, когда она сталкивается с твердой горизонтальной поверхностью или с водой в луже? Почему некоторые капли разбрызгиваются (частички этих капель летят вверх и в стороны), а другие нет?

Когда детектив обнаруживает на месте преступления кровавое пятно, он понимает, что кровь либо вытекала из жертвы по капле, либо била фонтаном. Но ему надо по размеру пятна определить скорость и размер капель. Это дело сложное, поскольку размер оставшегося пятна зависит и от того, и от другого: если капля маленькая, но скорость ее большая, размер пятна может оказаться больше, чем в случае, если капля больше, но движется она медленнее. Есть ли способ получить такую информацию, анализируя пятно? (Представьте, что вы Шерлок Холмс.)

ОТВЕТ • Рассмотрим сначала падение капли на твердую поверхность. В зависимости от обстоятельств капля, ударившаяся о твердую поверхность, может либо разбрызгаться, либо растечься по поверхности (смочить ее) или сначала отскочить от поверхности, а затем разбрызгаться или растечься. При разбрызгивании капли образуется неглубокий, почти круглый слой с короной (приподнятым внешним краем). Когда корона формируется, из нее вылетают мелкие капельки. Образование капелек обусловлено тем, что, когда увеличение размеров короны замедляется, она становится неустойчивой. Одна из волн, возникших на этой стадии и распространяющихся вдоль короны, становится доминирующей, а ее наиболее высокие точки, зубцы короны, отрываются, образуя капельки. На пятнах, оставленных брызгами, часто видны вытянутые языки — следы от зубцов короны. Длина основной волны, приведшей к неустойчивости, приближенно равна длине окружности, ограничивающей разбрызгавшуюся каплю, деленной на число оставшихся языков.

Капля, падающая на поверхность воды, может расплескаться, слиться с поверхностью или парить в непосредственной близости от поверхности. Парящие капли, о которых мы говорили в предыдущей задаче, могут образовываться, только если жидкость капает с очень небольшого расстояния. Если капля падает с большей высоты, она выталкивает из-под себя воду, что приводит к появлению на поверхности воды кратера в форме полусферы. Затем вдоль периметра этого кратера образуется корона. Оседая, корона обрушивается обратно в кратер, и быстро набегающая в центр кратера вода струей выбрасывается вверх. Когда струя достигает максимальной высоты, от нее может оторваться одна или несколько капелек. Наконец струя стихает, и расплескивание заканчивается.

В некоторых случаях края короны смыкаются сверху, образуя купол. Тогда любая струя в центре оказывается внутри купола и поэтому не видна. Если при ударе капли о воду корона не образуется, возникает уходящая вниз воронка, форма которой напоминает лежащий бублик. Внутри этого бублика вода по спирали уходит вниз и поднимается вверх по его внешней поверхности. Воронку можно увидеть, добавив в каплю воды краситель. Капли, отбрасываемые струей в центре кратера, тоже могут привести к образованию воронки. Такую струю легче увидеть, если вода неглубокая и твердая поверхность снизу помогает преобразовать корону в струю в центре. Самая высокая струя образуется в том случае, когда глубина слоя воды равняется радиусу кратера, образованного каплей. (Удивительно: если откачать воздух над слоем воды или заменить его более легким газом, капля может и не расплескаться.)

Бывает, что быстро падающие одна за другой капли отскакивают от поверхности воды. Если первые несколько капель образовали кратер, а следующие за ними капли попали в него именно тогда, когда вода начала затекать в кратер, заполняя его, поток воды может подбросить такие капли вверх.

Капли расплавленного воска, падающие на гладкую поверхность металла, могут расплескиваться наподобие капель воды, но на конечных стадиях процесса они затвердевают. Вокруг расплескавшейся капли воска получается красивый узор, когда капельки отрываются от края кратера или от зубцов короны и затем затвердевают. Интересный рисунок получается и при падении капли расплавленного металла на плоскую металлическую поверхность. Они расплющиваются в лепешку с растекшимися по периметру языками. Некоторые из них отщепляются и становятся отдельными кусочками металла. При увеличении шероховатости поверхности число языков обычно уменьшается, а их ширина увеличивается.

Чтобы определить скорость и размер капли крови, вытекшей из жертвы, криминалисты должны определить не только размер пятна крови, но и количество языков, образовавшихся по периметру пятна. Чем больше скорость, тем языков больше. Однако анализ затруднен тем, что необходимо учитывать характер поверхности, о которую ударяется капля. На более шероховатых поверхностях языки перекрываются, а размер пятна уменьшается. Следовательно, для каталогизации пятен крови, оставшихся на часто встречающихся поверхностях, таких как бетон, бумага или стекло, необходимо провести большое число экспериментов. Если на месте преступления на твердой поверхности была обнаружена кровь, лучше передать в лабораторию кусочек этой поверхности с пятном крови. Там, проводя эксперименты с каплями крови определенного размера, падающими с заданной высоты, можно получить интересующие детектива размер и скорость падения капель для данной поверхности.