2.74. Парящие капли

В некоторых кофемашинах кофе по капелькам капает в сосуд. Такие капли должны были бы, разбрызгивая кофе, быстро слиться с остальным кофе, а вместо этого они парят над поверхностью кофе, иногда даже проделывая несколько раз путь от одной стенки сосуда к другой.

А еще парящие капли можно получить, повозив по столу обычный пенопластовый стаканчик с кофе (или каким-нибудь другим напитком), раз за разом прижимая, а затем останавливая его. Если стакан достаточно быстро двигать зигзагами, из колеблющейся жидкости могут выплескиваться вверх капли. Падая обратно в стакан, они, вместо того чтобы немедленно смешаться с остальной жидкостью, могут остаться парить над ее поверхностью. Если перестать двигать стакан, капли быстро погружаются в жидкость.

Когда вода льется из крана в плоскую раковину, вокруг места падения струи образуется кольцевая область и окружающая ее водяная стенка. В этой области, то есть внутри стенки, поток воды мелкий и быстрый; снаружи он медленнее и не такой мелкий. Таким образом, водяная стенка — это граница, на которой поведение потока воды меняется. Если из пипетки капнуть воду прямо у этой стенки с внутренней стороны, то есть в пределах кольцевой области, капля может некоторое время парить над поверхностью воды.

Что же во всех этих случаях позволяет каплям воды парить над поверхностью?

ОТВЕТ • Капли могут быть подвешены над поверхностью жидкости из-за электростатического отталкивания молекул капли и молекул на поверхности жидкости. Добавим жидкое мыло в сосуд с водой и в каплю. Молекулы мыла стремятся собраться на поверхности жидкости. При этом их гидрофильные (водолюбивые) концы спрятаны в воду, а гидрофобные (отталкивающие воду) концы торчат наружу из воды. Гидрофобные концы, торчащие и из капли, и из сосуда с водой, отталкиваются друг от друга, удерживая каплю в воздухе. Кроме того, может играть роль электризация трением, возникающая при движении по столу стакана, в котором вы готовили мыльный раствор.

Процесс может развиваться и так. Предположим, что капля падает в неподвижный сосуд с очень маленькой высоты. Пока она снижается и еще не коснулась в первый раз поверхности жидкости, воздух из-под нее вытесняется. Затем капля наполовину погружается в воду. Возникает волна, распространяющаяся по поверхности капли, которая «отщипывает» погрузившуюся половину, немедленно сливающуюся с жидкостью в сосуде. Верхняя часть капли продолжает опускаться, а воздух под ней отчасти поддерживает ее, но и продолжает вытекать наружу. Затем она тоже касается жидкости в сосуде. Опять по капле пробегает волна, отрывает ее нижнюю половину, которая немедленно погружается в контейнер. Это может повторяться несколько раз, до тех пор, пока капелька, оставшаяся от начальной капли, уже не разорвется пополам, а полностью растворится в жидкости в сосуде.

Теперь посмотрим, что происходит в кофемашине, где капли кофе падают одна за другой в сосуд. Падающая капля может достичь поверхности кофе в сосуде именно тогда, когда заполняется кратер, оставленный предыдущей каплей. Под напором поступающей в кратер жидкости новая капля отскакивает. Когда после этого капля опять опускается, она вытесняет из-под себя воздух, однако какое-то время этот воздух поддерживает каплю. Объяснить, почему в раковине с льющейся в нее водой парит капля, можно почти так же. Только в этом случае поток воды непрерывно затягивает под каплю новый воздух, обеспечивая ей поддержку, и капля тормозится около водяной стенки.

Если сосуд с жидкостью и капля колеблются, движение помогает достаточно быстро закачивать под каплю воздух, что обеспечивает ее поддержку. Именно это и происходит, когда пенопластовый стаканчик возят туда-сюда по столу. Вероятно, можно добиться того же результата, если удастся как-то заставить каплю и жидкость в сосуде совершать вертикальные колебания с той же частотой, что и в стаканчике.

Также каплю можно удержать над поверхностью жидкости, если ее температура или температура воды в сосуде очень велики. В этом случае каплю поддерживает пар, образовавшийся при испарении воды. Этот механизм, обычно называемый эффектом Лейденфроста, мы обсудим в главе 4, посвященной тепловым явлениям.