Архитектура из света и капель
Между тем затянувшаяся охота за каплей продолжалась, но шла пока без особого успеха. Оказалось совсем не просто измерить мелкую, иногда микронных размеров, частицу, летящую со скоростями 50—100 м/с. Дело усугублялось широтой спектра диаметров частиц. Имевшиеся в литературе способы измерений в двигателях внутреннего сгорания нам не подходили.
Обычно рабочий день начинался с открытия. Кто-нибудь приносил очередную «блестящую идею», она представлялась дома такой обещающей, к обеду ее обычно «закрывали» под аккомпанемент беспощадной критики.
В те годы еще не родился метод «мозгового штурма», метод психической мобилизации творческой мысли в коллективе. Но мы, начинающие исследователи, нащупывали его интуитивно. Из шутки, смеха, «всеобщего трепа» постепенно вырастал серьезный разговор. Как-то сам собой возник обычай свободно высказывать любые безумные или смехотворные предположения и идеи. Поначалу слушатели не без труда воздерживались от зубастых, ехидных замечаний, на которые все были горазды. Но наш руководитель установил правило — отбор и строгая критика отодвигались на последующую дискуссию, когда набирался запас предложений (теперь психологи так и поступают).
— Надо ловить каплю на излете в какую-то мягкую подушку, чтобы не дробилась. Я думаю, подойдет паутина...
— Отлично, берем проволочные рамки и айда на чердак.
— Нет, так нельзя... нужно по плану. Рамки пока раздаем уборщицам... а нам всем оформить командировку на завтра в Серебряный бор, там в лесу паутина — залюбуешься.
— Заведем казенного паука, будет новое лабораторное оборудование; использование пауков в технике — авторское свидетельство. Пусть завхоз ставит его на довольствие, как нашу серую Мурку...
Возникала атмосфера раскованности; шутка, игра помогали ломать жесткий стереотип привычной мысли. Нам тогда не грозила опасность впасть в бездумную болтовню. Всех будоражили, тонизировали каждодневные сообщения о новых технических идеях, конструкциях, полетах, об успешных действиях наших Илов, штурмовиков с кинжальными эрэсами (ракетными снарядами), наших реактивных «Катюш», явно превосходивших немецкие шестиствольные минометы, о наших новых типах пороховых ракет, которые иногда запускались прямо с деревянной тарой («Русские бросаются сараями!»— вопили фашисты).
В издававшемся тогда журнале «Британский союзник» появились эффективные чертежи-рисунки первых турбореактивных двигателей. Но старые опытные цаговцы предостерегающе качали головами:
— Не очень доверяйтесь, здесь поработало бюро искажений.
Мы всматривались в них квадрат за квадратом, как в загадочные картинки — «найти взломщика», но так и не находили. Позже, когда мы работали уже в другом институте, появились первые трофейные немецкие ТРД и огромные, как нам тогда казалось, марсианского вида ФАУ-2...
Мы сбились с ног в поисках материалов для улавливания капель. Пробовались новые по тем временам пластики и полимеры, пористый пенопласт, желеобразные среды (гели), смолы, различные пасты вплоть до гуталина, который был тогда дефицитом.
Пока же опыты ставились на модельной установке, капли распыленной воды улавливались в касторовое масло. Каждую пробу, приходилось утомительно и кропотливо обрабатывать под микроскопом. Способ годился для условного сопоставления форсунок по качеству распыливания, но не для измерения частиц реального топлива в камерах. Кто-то однажды предложил:
— Хватит ловить капли, как мух на липкую бумагу. Применим метод моментальной, искровой фотографии.
Он уже тогда был достаточно усовершенствован. Время экспозиции, то есть вспышки искры, составляло 10-5—10-6 с. Экспериментатор, жаждавший остановить мчащуюся каплю, мог скомандовать: «Остановись, мгновение, ты прекрасно!» Метод позволил впоследствии многое разглядеть и понять в самом явлении распада, но для систематических измерений не пошел. Вступили в противоречие два главных требования — точность замеров и массовость объектов. Для хороших измерений нужен увеличенный портрет капли. По законам оптики укрупнение масштабов изображения оплачивается уменьшением глубины резкости и сужением поля зрения. Из массы летящих капель объектив фотоаппарата выберет несколько резко сфокусированных, остальные получатся размытыми пятнами — не напасешься дефицитной мелкозернистой пленки.
Тут как раз и подоспело мое предложение использовать радугу. В литературе по метеорологической оптике я отыскал теорию радуги, ее создал известный английский астроном и физик Эри (1801—1892).
Простой принцип этой дивной архитектуры из солнечного света и капель совсем нетрудно понять. Наблюдатель видит радугу, стоя спиной к солнцу (рис. 6). Лучи солнца претерпевают в каплях полное внутреннее отражение и возвращаются обратно к зрителю под определенным углом. Это сопровождается дисперсией — капли «работают» как миниатюрные призмы, разлагая свет на цвета исходного спектра, от красного до фиолетового. На рис. 6 одна из капель и ход лучей в ней показаны крупным планом.
Вследствие интерференции световых волн интенсивность возвращенного света имеет для каждого цвета ряд максимумов, которые соответствуют определенным углам наблюдения. Только эти максимумы и может видеть глаз, слабые лучи всех других направлений не дают зрительного восприятия. Но максимумы — от первого к последующим — в каждом цветовом ряду резко слабеют, и различать вторые, третьи и т. д. глазу становится трудно. Поэтому мы обычно видим одну арку, так называемую главную радугу — это сомкнутые полосы, соответствующие первым максимумам всех цветов; она всегда наблюдается под углом примерно 42°.
Изредка в очень чистом небе видна и вторая многоцветная арка — от капель, где свет прошел двойное внутреннее отражение.
Такая интерференционная картина обладает особенностью — стоящий в данном месте наблюдатель видит радугу только от определенной группы частиц. Глаз служит вершиной конуса с углом 42°, а все «избираемые глазом» капли дождя образуют круг в основании конуса.
Первым дал объяснение радуги знаменитый французский философ, математик, физик и физиолог Рене Декарт в 1631 году. Не зная еще явления дифракции, он имел терпение и трудолюбие построить чисто геометрически ход 10 000 лучей, прошедших через каплю. Обнаружилось, что только небольшая группа лучей под номерами от 8500 до 8600 выходит из капли компактным пучком, давая примерно одинаковый угол отклонения, порядка 42°, все остальные расходятся широким веером, то есть рассеиваются.
Земной зритель не может видеть всю окружность, а только ее верхнюю часть. На самолете другие геометрические условия обзора: они позволяют объять глазом весь круг (одно из бесплатных преимуществ авиапассажира, которое Аэрофлот забыл указать в своих проспектах и рекламе).
Радуга принадлежит к «призракам, идущим за тобой». Вы отходите — она перемещается за вами на другой Слой капель, строго соблюдая постоянство угла зрения. Солнечные и лунные дорожки на воде «из той же компании»: помните, они тоже всегда следуют за вами; причины аналогичные — максимум интенсивности света, отраженного от ряби волн, соответствует определенному углу зрения.
Теория Эри мне очень понравилась. Все было так красиво и просто, а главное, подтвердилась моя надежда: теория давала нужную зависимость. Это была связь углового расстояния между соседними максимумами световых интенсивностей (для каждого цвета) и диаметром капли. «Теперь ясно, как ставить опыт,— мне необходима монохроматическая (одноцветная) радуга».
Я работал все дни до 10 вечера, и в неделю мы собрали простую оптическую установку в темной комнате на пятом этаже. Всем не терпелось проверить правильность идеи. «Солнцем» служил межэлектродный промежуток вольтовой дуги, помещенный в фокусе большого конденсора. Красный светофильтр (иных не нашлось) отсекал все другие цвета, потому и требовался очень яркий источник. Под форсункой стояло устройство с улавливателем капель в касторовое масло для контрольного измерения. Все было готово. Мы застыли в полной темноте и тишине ожидания. Сердце у меня колотилось, казалось, о стены комнатки — выйдет или не выйдет этот первый в жизни самостоятельный эксперимент?
— Давай давление воды... держи десять атмосфер, включай рубильник...
На бисерных нитях конуса распыливания небольшой центробежной форсунки повисли бледные, но ясно различимые красные дуги комнатной радуги, разделенные темным промежутком, как и предписывала теория. Мне самодельная радуга показалась прекрасней многоцветной, естественной.
Все были довольны — «момент истины», когда реальность совпадает с предсказанием теории, доставляет какую-то детскую радость. Дескать, фокус удался, хотя вы читали о нем и знаете, как это делается. На другой день я вычислил диаметры капель по формуле радуги, через измеренное угловое расстояние между ее первым и вторым кольцом. Потом мы обработали пробу капель, уловленных в касторовое масло,— данные обоих измерений неплохо согласовывались.
