Капля

ШЕДЕВРЫ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ




Я. Е. Гегузин

КАПЛЯ


Третье издание










Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

  Я.Е. Гегузин
    Капля: Учебное пособие / Я.Е. Гегузин — 3-е изд. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 184 с.
    ISBN 978-5-91559-169-0

    Дорогой читатель, перед Вами «Капля» — первая книжка из серии прекрасных научно-популярных книг советского физика, профессора Я. Е. Гегузина, которые переиздает издательский дом «Интеллект». Академик В. Л. Гинзбург — нобелевский лауреат по физике — назвал её поэмой! Книга эта является уроком радостного знания, «сочной» физики и восходит к классическим образцам научно-популярного жанра, таким как знаменитая «История свечи» Майкла Фарадея.
    Непосредственная тематика книги (капиллярные явления, диффузия, вязкое течение, разрушение...) остается весьма актуальной и в физике конденсированного состояния и в приложениях, в частности, в нанотехнологических.
    По сравнению с большинством известных научно-популярных книг в этой гораздо сильнее выражена учебная составляющая — не только «учёные установили, что.», но и «как установили».
    Для студентов и преподавателей естественно-научных специальностей университетов, старшеклассников и учителей средней школы.


ISBN 978-5-91559-169-0

© 2013, С.Я. Гегузина

                                     © 2014, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

                ОГЛАВЛЕНИЕ









Предисловие к третьему изданию........................6

Глава 1
ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ.......................................8
   1.1. Первая капля..................................8
   1.2. Слово о кинокамере............................9
   1.3. Сталагмология.................................9

Глава 2
КАПЛЯ В НЕВЕСОМОСТИ................................. 13
   2.1. Опыт Плато.................................. 13
   2.2. Воспоминание о лекции профессора Френкеля... 18
   2.3. О подпрыгнувшей капле........................24
   2.4. Фильм о слиянии двух капель..................28
   2.5. Статья Эйнштейна о лорде Кельвине............32
   2.6. Капля пустоты................................35
   2.7. Удобная «постель» для капли..................40
   2.8. Раздавленная капля...........................44

Глава 3
ПЕРВАЯ КАПЛЯ ТАЛОЙ ВОДЫ..............................48
   3.1. Капля, осушенная иглой.......................48
   3.2. Талая вода...................................52
   3.3. Весенняя капель..............................55
   3.4. Пятна на столе...............................59
   3.5. Невысыхающие капли...........................61
   3.6. Капля масла на воде..........................63

-Ц, Оглавление

Глава 4
ДОЖДЬ НАД РЕКОЙ........................................66
   4.1. Капля-шарик и капля-парашют....................66
   4.2. Капля падает на жидкость.......................71
   4.3. Капля на кончике иглы..........................75
   4.4. Антидождь......................................78
   4.5. «Капля камень долбит»..........................82
   4.6. Водяная корона.................................86
   4.7. Элементарная теория разрушения водяного пузыря.90
   4.8. Дождь на оконном стекле........................94
   4.9. Глицериновые дожди и глицериновые капели.......99
   4.10. Опыт Рэлея-Френкеля......................... 102
   4.11. Кто творит радугу?.......................... 107
   4.12. Два опыта по столкновению капель............ 110

Глава 5
КАПЛИ РОСЫ........................................... 114
   5.1. Счастливый день в жизни естествоиспытателя... 114
   5.2. Засада на росу............................... 118
   5.3. Росинка в солнечном луче..................... 120
   5.4. «Застывшие алмазы росы» ..................... 123
   5.5. Неожиданное решение задачи................... 128
   5.6. Плавление микроскопических закристаллизовавшихся капель............................................ 131
   5.7. Капли со шлейфом............................. 133
   5.8. Капля, питающая «усик»....................... 137
   5.9. Капельный след............................... 139
   5.10. Пузырьковая камера.......................... 144
   5.11. Из истории исследования электрона........... 147

Глава 6
КАПЛЯ В КРИСТАЛЛЕ.................................... 154
   6.1. Кристалл и капля............................. 154
   6.2. Капля рассказывает о минерале................ 157
   6.3. Капля, движущаяся в кристалле................ 160
   6.4. Газожидкие капли............................. 165

Оглавление —I 5

Глава 7

ЖИВЫЕ КАПЛИ...................................... 167
   7.1. Капляживого серебра...................... 167
   7.2. Кардиограмма ртутного сердца............. 170
   7.3. Дипломная работа студента................ 175
   7.4. Каплеподшипники.......................... 179


Глава 8 ПОСЛЕДНЯЯ КАПЛЯ........................ 183

                ПРЕДИСЛОВИЕ
                К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ









           Книга Якова Евсеевича Гегузина — для тех, кому интересна физика и природа. Для любопытных людей. В том числе и для тех, кто хочет работать или работает в науке.
   Это большое счастье — зарабатывать на жизнь тем, что нравится делать. Наука дает такое счастье любопытным и, конечно, способным радоваться узнаванию нового.
   Но есть еще и техника мышления в науке. Суть этой техники — стремление к ясности. Четкое понимание тех простых законов, к которым, в конечном счете, сводятся самые сложные с виду явления природы. Яков Евсеевич обладал незаурядным талантом физика и педагога — видеть простую суть сложного, восхищаться ею и уметь передать свою радость слушателю и читателю. О чем бы он ни рассказывал, он рассказывал интересно. Его книги — такие же, какими были его увлекательные лекции. «Капля» — одна из лучших. А еще есть «Пузыри», «Живой кристалл», «Почему и как исчезает пустота», «Очерки о диффузии в кристаллах».
   Что общего между обычной каплей воды и атомным ядром? Как обнаружить, где пролетел электрон, позитрон или другая элементарная частица, меньшая даже атомного ядра, с помощью обычного микроскопа? Как избирательное оседание капелек позволяет увидеть на зеркально гладкой грани кристалла рельеф из ступенек высотой 10 ангстрем, т. е. одной миллионной доли миллиметра? Почему следы на поверхности пруда или лужи такие разнообразные? Как из порошинок получается монолитный прочный металл, т.е. на чем основана порошковая металлургия? Почему и как растущий кристалл захватывает пузырьки газа или частицы, портящие его? Когда жидкость ведет себя, как твердое тело?
   Яков Евсеевич отвечает на все эти и многие другие вопросы, так или иначе связанные с физикой поверхности, с ясностью и строгой простотой физика, постоянно погруженного в мир этих явлений. И с живостью поэта. Он был поэтом и романтиком в

Предисловие к третьему изданию —I 7

науке, как и предмет его восхищения и любви — замечательный советский физик Яков Ильич Френкель (дефекты Френкеля, экситоны Френкеля, френкелевская теория деления атомного ядра, модель Френкеля—Конторовой движения дислокаций в кристаллах и т. д.). Яков Евсеевич любил, а потому и помнил стихи, классиков и современников, и любил читать эти стихи. Потому в «Капле» так много стихотворных цитат и эпиграфов. Он воспринимал и природу и отношения между людьми ярко и неравнодушно, как поэт. Но, пораженный увиденным явлением, он анализировал его как физик, как настоящий профессионал. И эмоциональное восприятие физики, вместе с неукротимой любознательностью поддерживало его в трудном и часто долгом пути к простому и изящному ответу.
   XX век был веком физики, XXI — будет веком биологии. Но, как говорят, «Господь Бог не берет интегралов», т. е. не заботится о том, как мы описываем и понимаем природу. Другими словами, природа едина. Тот уровень ясности и четкого количественного понимания, которого достигла физика, еще только маячит перед биологами и биохимиками из-за несопоставимо большей сложности их объектов. И, конечно, этот уровень будет достигнут и для живых объектов. Компьютеры сделают это возможным, но только вместе с той идейной ясностью и простотой, которой учит настоящая наука, не делящаяся на «большую» и «малую», фундаментальную и прикладную. Книга Якова Евсеевича Гегузина проникнута духом такой единой науки о реальных явлениях. Кстати, поверхностные, или, как их еще называют, капиллярные явления в биологии работают ничуть не меньше, чем в физике и химии.
   Книжка Я.Е. Гегузина учит думать и видеть единую природу как бы изнутри. Она дает то видение мира, которое близко любознательным и глубоким людям.
   После того, как я написал это предисловие, я перечел главу «Вместо введения» в самой «Капле». И был рад, что ощущения Якова Евсеевича близки к моим. Наверное, потому и были мы друзьями и хорошо понимали друг друга — и в жизни и в науке. Я моложе Якова Евсеевича и больше люблю сложную современную технику, чем он. Эта техника помогает нам идти все глубже, но истинное познание, а не только накопление фактов — хлеба науки — всегда будет привилегией эмоционального стремления к ответу на детский вопрос «почему?». Только надо сохранить ясность видения леса за все более многочисленными и ветвистыми деревьями.


                                     ЧерновА.А., член-корр. РАН

ГЛАВА





                ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ





1



            1.1.      ПЕРВАЯ КАПЛЯ


           Когда я задумал написать эту книгу и структура ее была еще неясна, мне советовали каждый из очерков называть так: «Капля первая», «Капля вторая» и т. д. Мысль мне показалась тенденциозной, и совету я не внял. А вот первый очерк — даже не очерк, а несколько вводных фраз — решил все же назвать «Первая капля».
   Жизнь развивается так, что искусство в несравненно меньшей степени, чем наука, со временем оснащается внушающим почтение «новейшим оборудованием» — умными и сложными машинами с разноцветными кнопками и мигающими лампочками на пульте. Скрипка и кисть сохранились в руках мастера, устояли против натиска множества электронных музыкальных приборов и цветной фотопленки. Творчество в литературе и искусстве осталось привилегией человека, его личной одаренности, одержимости, способности удивляться. А в науке происходит нечто иное: лупа и примитивный электроскоп естествоиспытателя уступили место огромным электронным микроскопам и сложнейшим электрическим машинам. Сложным оборудованием управляет коллектив научных работников со штатом лаборантов, механиков и инженеров.
   Чисто внешнее и совершенно оправданное изменение облика науки иногда представляется признаком ее перерождения — превращением науки в нечто обезличенное и механизированное, оторвавшееся от образного, поэтического мировосприятия человека. К счастью, в действительности дело обстоит совершенно не так. Как и всегда, своими всплесками наука обязана озарениям тех естествоиспытателей, которые, подобно поэтам и художникам, одарены талантом видеть. Как всегда, наука и ныне остается сродни искусству и никакого разделительного вала между ними нет.

1.3. Сталагмология —I 9

   Составляя очерки о капле, я не расставался с мыслью о родственности науки и искусства. И если — пусть не прямо, а между строк — читатель эту мысль прочтет и в его глазах она «обретет плоть», я буду считать, что труд мой не пропал даром.


            1.2.      СЛОВО О КИНОКАМЕРЕ


           В работе над «Каплей» моей верной помощницей была кинокамера, и она несомненно заслуживает благодарственного слова.
   Глаз человека — великолепный оптический прибор. Он тонко различает цвета, мгновенно настраивается «на резкость» при разглядывании объектов на различных расстояниях, чувствует слабые полутени и резкие контуры. И все же глаз нуждается в помощниках, расширяющих его возможности. Нужны и телескоп, и микроскоп, и множество различных луп. Они помогают соотнести истинные размеры объекта с разрешающей способностью глаза: приблизить удаленное, увеличить мелкое, оттенить расплывчатое.
   В последние десятилетия в ряду помощников глаза появилась кинокамера. Кто-то о ней сказал «лупа времени». Это определение верное, так как камере под силу «растягивать» и «сжимать» отрезки времени. Мощь кинокамеры неизмеримо возрастает, если ею пользоваться, укрепив на тубусе микроскопа.
   В нашей лаборатории есть различные кинокамеры — маленькие и большие, скоростные, которые успевают заснять тысячи кадров в секунду, и «обычные», которые, работая, не изменяют масштаба времени. Есть и такие, которые снимают покадрово, т. е. так, что между съемками двух последовательных кадров проходит время, заданное камере. Все они «помогали» мне разглядеть каплю — в полете, рождающуюся на кончике сосульки, пульсирующую, подобно сердцу, скользящую по оконному стеклу. Без кинокамер многое бы глаз не увидел и капля в «Капле» выглядела бы обедненной.


            1.3.      СТАЛАГМОЛОГИЯ


           Однажды я участвовал в субботней телевизионной передаче «Голубой огонек». По замыслу ее организаторов, мне была отведена роль посетителя кафе, которому надлежит сидеть за сто

¹⁰ -V

Глава 1. Вместо введения

ликом, пить кофе и аплодировать выступающим. По ходу передачи ведущий должен был обратиться ко мне с каким-то вопросом о дожде, а мне, как бы экспромтом, следовало рассказать о падении дождевой капли на поверхность воды и показать телезрителям полутораминутный кинофильм об этом. Фильм тоже должен был появиться экспромтом. Видимо, стремясь вдохновить участников «Голубого огонька», режиссер передачи напомнил, что из объектива телекамеры на нас глядят миллионы. Добился он этим напоминанием противоположного результата. Под тяжестью ответственности посетители кафе немного оробели, и каждый свой «экспромт» излагал скованно. Мою задачу облегчил фильм, который я комментировал, оставаясь за экраном.
    Вскоре после передачи стали приходить письма телезрителей. Писем было много, и каждое по-своему интересно и неожиданно.
    Автор одного из писем сообщал, что он пишет книгу, которая посвящена изложению науки о каплях. Называться книга будет «Сталагмология», что в переводе на русский язык означает «кап-леведение». Автор письма с похвалой отзывался о моем фильме и просил прислать ему несколько кинограмм, которые он хотел бы поместить в качестве иллюстрации в соответствующей главе «Ста-лагмологии».
    Письмо меня заинтересовало, и мне захотелось познакомиться с человеком, которому надлежит стать основателем новой науки: до письма я не подозревал о существовании «каплеведения». Я попросил автора письма меня принять и поехал к нему.
    Меня встретил немолодой человек, некогда занимавшийся научной деятельностью в области биологии. Он рассказал о том, что образ капли его привлекает еще с юности, что в его картотеке числится множество статей, которые прямо или косвенно посвящены капле, и что его память хранит много наблюдений над каплями. Он рассказал и о том, что некогда ему довелось, вернее посчастливилось, сделать важную научную работу, в которой объектом исследования была капля. Я ему тоже рассказал кое-что о каплях, чего он, нефизик, не знал.
    Начался разговор о сталагмологии. Я говорил о том, что не совсем понимаю правомерность такой науки. Да, действительно, о каплях известно много, и вещество в «капельной» форме изучали представители многих наук. Да, действительно, о каплях можно рассказать уйму интересного, и капля, пожалуй, один из самых