Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

В то утро я спешил в институт с желанием скорее приступить к наблюдениям. Уже в проходной я услы­шал оживленные разговоры — упоминалась, как ни странно, наша «царь-форсунка». А случилось вот что. Накануне ее демонстрировали группе научных работни­ков. Руководивший опытом инженер Клячко подсоеди­нил форсунку прямо к пожарному гидранту. Крепление оказалось неплотным, мощная струя воды брызнула из зазора, и форсунка стала угрожающе поворачиваться в сторону зрителей. Клячко «героически» бросился к стыковочному узлу и тут же был промочен до нитки. А форсунка с неумолимостью Немезиды продолжала поворачиваться в прежнем направлении и накрыла опе­шивших наблюдателей огромной розеткой из воды. Теперь усмирять «царь-форсунку» выпало мне. Начиная эксперимент, я установил минимальное давление: менее десятой доли атмосферы, когда появляется так на­зываемый режим пузыря. Постепенно подняв давление жидкости чуть выше и убедившись, что крепления на­дежные, я подошел вплотную к корню факела. Передо мною у соплового отверстия блестела «рюмочка» жидко­го гиперболоида (см. рис. 8).

(Этот гиперболоид мне представлялся отрезком башни Шухова в миниатюре — знаменитой тогда в Мо­скве радиобашни станции «Коминтерн». Талантливый изобретатель В. Г. Шухов получил криволинейный кон­тур ажурной конструкции из прямых балок — снова мудрость простых форм.)

Здесь, у корня факела, кривые очертания «рюмочки» возникали из прямолинейных линий тока, по ним шел вектор скорости V вырвавшихся струй — результирую­щая касательной и и осевой w скоростей в сопле фор­сунки. Линии ясно различались на жидкой поверхности, прочерченные бугорками шероховатости стенок форсун­ки. Далее виднелась туманно-зыбкая непонятная об­ласть, из которой широко разлетался веер струй. Если часто моргать глазами («каждый сам себе стробо­скоп»), в струях удавалось различить вереницы капель.

Однако для серьезных наблюдений глаз был, конеч­но, бессилен, требовалась искровая фотография. Только она могла сделать невидимое видимым. Дальнейшие эксперименты с применением этого метода показали «водную феерию» распада во всем великолепии (рис. 11).

Рис. 11. Распад пелены центробежной форсунки

На поверхности пелены, вытекающей из сопла форсун­ки, начинают развиваться волны возмущений. Физика та же, что и в случае цилиндрической струи, только проявляется в более сложных формах.

Не сразу мне удалось разобраться в путаном круже­ве распада. Сначала факел распыливания представлял­ся каким-то струйным «веником». Потом, наоборот, в глаза полезли кольцевые структуры. Картина складыва­лась постепенно из просмотра многих серий фотогра­фий. Наконец я увидел: на пелене развиваются две группы волн (рис. 12). Гребни первой, идущей по дви­жению струи, видны на контуре ее границы. Они опоя­сывают поток, стремясь превратить пелену в кольца, нанизанные на ось форсунки. Вторая группа идет по окружности пелены (перпендикулярно первой) и стара­ется разделить жидкость на веер струй, расходящихся из центра сопла.

Эти волны видны на фотографии у корня факела («ребристая структура»). В зоне распада («туманно­зыбкая» область, которую я силился разглядеть нево­оруженным глазом) обнаруживаются кольца или вол­нистые круговые нити. Это отделившийся гребень коль­цевой волны антисимметричного возмущения. Нить рвется на фрагменты, превращающиеся в капли,— результат развития возмущений на каждом отдельном кольце.

Рис. 12. Факел распыливания центробежной форсунки: а — рисунок по фотографии, сделанной при большой экспозиции, б — схема рас­пада пелены (образование волн)

При более высоких давлениях жидкости — в десят­ки атмосфер — с поверхности срываются в виде роя ка­пель гребни мельчайших волн, прежде чем кольцо длин­новолновых колебаний полностью сформируется. Это здесь при больших скоростях жидкости возникают мел­комасштабные волны возмущений.

Я долго любовался искровыми фотографиями, кото­рые раскладывал пасьянсом на своем столе. А как объяснить все это теоретически? Провести точное мате­матическое решение для такого сложного течения не представлялось возможным. «Смело упрощайте за­дачу,— вспомнил я совет старших, более опытных иссле­дователей,— обрубайте боковые ветви, только не зару­бите сам ствол...»

«Волны возмущений начинаются сразу на рюмочке гиперболоида, а он близок к цилиндру,— рассуждал я.— Если полый цилиндр развернуть, получится плос­кая пелена; с плоским течением уже можно справить­ся». Использовав метод малых возмущений из работ Рэлея и Г. И. Петрова, я нашел решение. Течение оказа­лось неустойчивым, определилась оптимальная волна λ_опт — слой должен был распадаться на фрагменты с характерным размером волны.