Теперь новое число приобрело ясный физический смысл критерия деформации и дробления летящей капли. Критической фазе отвечает его минимальное дробящее значение (рис. 17).
Все добытые в опыте цифры, как льдинки мальчика Кая в андерсеновской «Снежной королеве», сами сложились в нужной комбинации: Кай прочел слово «вечность», а мы — слово «истина». Это слово нас вдохновляло, хотя речь шла всего лишь об одной маленькой научной истине из мира таких же маленьких капель.
Рис. 17. График дробления капель в потоке газа:: 1 — режим критик ческой деформации, 2 —режим распыливания
***
Найденная формула безотказно действовала для всех не очень вязких жидкостей и годилась для разных видов топлива реактивных двигателей. В случае вязких жидкостей дело усложнялось; например, для касторового масла критерий раздвоения оказался много больше. Это и понятно: здесь демпфирующие силы, кроме поверхностного натяжения, включают и силы вязкости жидкости, которые для других жидкостей можно было не учитывать.
В мире капель накопилось много интересных наблюдений и фактов, а вот количественных закономерностей —дефицит. Мне посчастливилось наткнуться на одну из них случайно. Но, как поется в песне, «пусть наша встреча была случайной, но не случайно вспыхнула любовь». Критерий дробления заставил по-новому взглянуть на некоторые вещи: любая газовая среда — своеобразное аэродинамическое сито, оно не пропустит капли крупнее «своей» ячейки, которая и сама зависит от скорости полета. Теперь я сумел бы ответить на вопрос, который могли задать тогда, давным-давно, в самолете: почему появляются градины с голубиное яйцо, но капли дождя у земли никогда не бывают больше четырех—пяти миллиметров. Дело в том, что твердые градины (льдинки), падая в воздухе, сохраняют свою целостность, тогда как крупные жидкие капли при своем падении приобретают у поверхности земли такую скорость, которая заставляет их дробиться, если размер капли превышает четыре—пять миллиметров.
А процесс каплеобразования: распад жидких струй или пелены форсунки, быть может, только первая стадия? Возможно, процесс развивается фаза за фазой, как цепная реакция распада? Тех, кто работает с каплями, иногда посещают атомно-квантовые аналогии: волна на струе — будущая капля, оторвавшаяся частица — несет волну.
Чем не дуализм «волна-частица»!
Как бы поближе разглядеть механизм этого ювелирно-тонкого процесса разделения капель? Пусть, решил я, жидкость движется в жидкости, быстрое станет медленным, мелкое — крупным. Конечно, такой простейший опыт ставили и раньше, но результат мне показался необычайно интересным, несущим еще не полностью понятую информацию.
Желающие могут повторить этот опыт у себя на столе. Стеклянная пол-литровая банка, пипетка и флакон черной туши — все лабораторное оборудование. Банку наполните доверху водой, пусть пару минут отстоится. Теперь наберите в пипетку туши, поднесите ее на сантиметр к уровню... Я не предлагаю, как раньше, попытаться ответить, что произойдет: угадать нельзя, вычислить тоже.
...Три, два, один — пуск! Черный шарик пошел в воду, начинается подводный цирк: капля мгновенно выворачивается в аккуратное колечко, на нем появляются знакомые волны симметричных колебаний — вспухания, пережимы. И вот кольцо разделилось на ожерелье капель. Хоровод капелек медленно, согласованно погружается дальше — можно пересчитать подводных балеринок и полюбоваться их пируэтами — начинается второй цикл превращений. Из капель рождаются новые кольца и распадаются, вступая в новый, третий, цикл... Так идет нескончаемая типичная цепная реакция — только дно банки остановит ее.
Рис. 18. Так распадается капля туши в воде (с фотографии)
Капли ведут себя, как живые делящиеся клетки. Кто знает, может быть, это древнейший прообраз деления простейших форм живой праматерии, оседавшей с поверхности в глубь океана? В жидкости повисает великолепная «люстра», наращивая ярус за ярусом: водный аттракцион, который может придумать только природа (рис. 18). Что же происходит? Распад явно идет в далекой закритической области, то есть при больших числах Вебера, хотя скорость погружения незначительна (ее можно измерить в опыте). Дело в том, что относительно велика плотность среды р и очень мало поверхностное натяжение капли о: ведь капля туши — почти вода в воде, и этот параметр по малости даже трудно оценить.
Японский ученый Ока решил задачу о распаде уже сформировавшегося неподвижного кольца. Она аналогична рэлеевской, ведь кольцо— замкнутый цилиндр. Оказалось, что число частей при распаде зависит от отношения толщины кольца к его диаметру. Много позже моих опытов по установлению условий дробления в иностранной литературе появились фотографии падающей в воздухе и дробящейся капли. Последовательность фаз деформации на фотографиях нам теперь понятна, она результат распределения давлений на шаре (см. рис. 13). Получается, что разрежение в кормовой части оттягивает, а давления в лобовой плющат и продавливают исходную форму. При этом разрежения по боковому поясу (в поперечном сечении) отсасывают жидкость на периферийную окружность. Возникший вначале диск с центральной вмятиной превращается в кольцо, обтянутое колпаком жидкой пленки, она быстро рвется. Остается неустойчивое кольцо, распадающееся на симметричные или антисимметричные волны — капли при обязательных спутниках, мелких шариках Плато. С готовым кольцом математика еще справляется, но рассчитать деформацию «капля — кольцо» никому не удается.
Странное дело: сколько раз нам уже попадалась кольцевая форма. Радуга, кольцевая волна, отделившаяся от пелены центробежной форсунки, теперь кольцо из жидкого шарика в воде, из капли в воздухе. Если вы занимаетесь каплями, жидкое кольцо часто будет сопровождать вас, как рондо повторяющейся мелодии. В этом, наверное, проявляется круговая симметрия нашего видимого мира, симметрии силовых и волновых полей.
Эксперименты по дроблению капель завершились, и я успел до конца года представить научный отчет по внеплановой теме.
План научно-исследовательских работ в институтах того времени не был столь жестким и всепроникающим, как потом. Иногда (и далеко не всем) разрешалось то, что летчики военной поры называли свободной охотой: полет в определенном направлении, но без конкретного задания — цели для атаки выбираются «по ходу дела». Я не за бесплановость или растягивание сроков, но жизнь показывает: план в науке иногда может и должен стать понятием растяжимым. Бывает, что план, как окостеневший панцирь, мешает росту живого организма исследования.
Научный работник обычно сам принимает участие в планировании, выдвигая тему, а иногда и сроки. И сам же часто попадает в свой капкан. Оценить время работ по новой теме, когда основная идея до конца и в деталях не ясна, чрезвычайно трудно. А если вдруг по ходу дела обозначился новый, более обещающий поворот? Откуда взять резерв времени? Мы придаем должное значение материальным и другим резервам, а почему со временем должно быть иначе? Из своего горького опыта я вывел правило: «коэффициент запаса» — планируемый интервал времени, который на первый взгляд кажется вполне достаточным,— умножай на два, тогда, работая с полным напряжением, едва уложишься в срок.
К слову, об оценке результатов исследовательских работ: проблема непростая и по сей день актуальная. Все зависит от научной и практической значимости задачи. Иногда и отрицательный результат (полученный с точностью до «наоборот») полезен. В других случаях добытые материалы без серьезного анализа точностей вообще не имеют ценности. А есть еще и такие темы: если в конце узнаешь хотя бы, как следовало ставить работу в начале,— считай результат положительным.
Как сделать туман!
Первый этап моих исследований, возникший из случайного наблюдения, завершился. Опыты проводились на сравнительно крупных каплях, диаметром 0,8—3 миллиметра. Предстоял второй этап. Нужно было доказать универсальность свойства дробления движущихся капель вплоть до самых мелких, обитающих в камерах сгорания. Вопрос этот оставался открытым, ведь мелкая капля быстро увлекается потоком, при этом ее относительная скорость и активные силы падают, деформация не успевает дойти до критической фазы, и распад не происходит.
Переход к более мелким частицам серьезно усложнял эксперимент. Но прежде всего мы нуждались в этих самых мелких частицах. Так в пятидесятые годы возникла проблема точно калиброванных капель. Требовался Прибор, «штампующий» строго однородные капли заранее Известного диаметра, хотя бы до 100—200 микрометров.
