Капля

В мемориальной статье Эйнштейн рассказал еще об одной идее Кельвина, имеющей прямое отношение к кап­ле. Кельвин заинтересовался следующим вопросом: как зависит давление пара жидкости вблизи поверхности от степени ее искривленности? Если рассуждать предметно, то речь идет о том, насколько отличается давление пара вблизи изогнутой поверхности водяной капли от давления пара вблизи плоской поверхности воды, налитой в широ­кое блюдце. В поисках ответа па этот вопрос Кельвин рассуждал так. Допустим, что в сосуд с жидкостью по­гружена тонкая трубка, внутренний радиус которой R . Если жидкость не смачивает материал, из которого сдела­на трубка, то ее уровень в трубке расположится ниже, чем в широком сосуде, в который налита жидкость. Произой­дет это по причине очевидной: в связи с тем что жидкость не смачивает стенок трубки, поверхность жидкости в ней будет выпуклой, полусферической, именно поэтому к жид­кости будет приложено давление, направленное внутрь, то самое лапласовское давление, с которым мы уже встре­чались, обсуждая опыт Плато. Под влиянием этого давле­ний уровень жидкости в трубке опустится ровно настолько, чтобы давление из- sa разности уровней жидкости в труб­ке и вне ее в точности равнялось лапласовскому. Его ве личину мы знаем: Р _л = 2 / R Разность уровней h

обусловит  давление Р = gh . Буквами обозначены следующие ве­личины: — поверхностное натяжение жидкости, — ее плотность, g — ускорение силы тяжести. Приравняв два эти давления, мы убедимся, что разница уровней h = 2/ gR

.

Таков результат первого этапа рассуждений Кельвина.

 

К расчету влияния кривизны поверхности жидкости на дав­ление пара над ней

Второй этап — естественное продолжение первого. Над всей поверхностью жидкости — и той, которая в трубке, и той, которая в широком со­суде,— имеется пар этой жид­кости, однако не везде дав­ление, оказываемое им на жидкость, одинаково: несколько большим оно будет над по­верхностью жидкости в труб­ке, так как слой пара над ней толще на величину h . Очевид­но, дополнительное давление этого слоя равно Р = ₀

gh, где ₀ — плотность газа, которая много меньше плот­ности жидкости. Величину h мы знаем — она была найдена на первом этапе рассужде­ний — и, следовательно, можем определить величину Р. Она очень важна, и поэтому формулу, которая определяет эту величину, мы вынесем на отдельную строку:

 

По поводу этой формулы Эйнштейн заметил, что она действительна «независимо от того, какими причинами обусловлено возникновение кривизны поверхности».

Можно понять восхищение, испытанное Эйнштейном, когда он ознакомился с логикой рассуждений и формулой Кельвина. Ведь, казалось бы, Кельвин обсуждал совсем частный пример: широкий сосуд, в нем жидкость, в жид­кости капилляр и т. д. А пришел к закону природы огром­ной важности и выразил его формулой, в которой ничего не содержится от того частного примера, который обсуж­дался. Разве что только R — радиус тонкой трубочки. Но ведь трубочка, как оказалось, нужна была только для

того, чтобы получить участок изогнутой поверхности, ограничивающей жидкость.

Вспомним о капле — она вся ограничена изогнутой по­верхностью, и значит, давление пара вблизи нее будет повышено на величину, определяемую формулой Кельви­на: чем меньше радиус капли, тем большее давление пара над ней. В этом легко убедиться с помощью многих опытов — далее мы с ними еще встретимся, а здесь, вместе с Эйн­штейном, восхитимся талантом Кельвина — его проница­тельным умом и великолепной логикой.

Капля пустоты

Много лет подряд вместе с моим покойным учителем Бори­сом Яковлевичем Пинесом мы занимались изучением по­ристых кристаллических тел. Так случилось, что я ни разу не спросил, как у него возникло представление о капле пустоты — поре в кристалле. А сейчас, к сожа­лению, спросить уже некого и остается лишь стро­ить догадки, сопоставляя факты и отрывки случайных раз­говоров.

Образ капли пустоты прочно вошел в физику твердого тела, о нем вспоминают всякий раз, когда надо осмыс­лить поведение различных дефектов в кристалле. И я расскажу о том, как этот образ возник. На примере рож­дения образа капли пустоты можно проследить, как вя­жется логическое кружево мысли ученого, где сосущест­вуют и конкурируют фантазия и строгая формальная ло­гика.