Реальность оказывается богаче обедненной схемы. Кристаллизация капли в реальных условиях происходит не только вследствие роста зародыша, которому паша схема предписывает появиться в одном из трех мест капли, но и вследствие образования тонкой корочки— панциря. Его наличие, как оказывается, очень существенно влияет на конечную форму застывшей капли.
Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появился вблизи «макушки» капли. В увеличенном масштабе показана конечная форма капли, на которой виден выброс сбоку
Обратимся к фактам. В Институте кристаллографии АН СССР наблюдали поведение капель расплавленного металла — германия на поверхности неметаллического кристалла—сапфира (это был побочный результат большой исследовательской работы). Подобно воде, плотность расплавленного германия больше, чем плотность закристаллизовавшегося, поэтому наблюдавшееся явление имеет прямое отношение к водяной капле.
Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появляется на границе между германиевой каплей и сапфировой подложкой. В увеличенном масштабе показана закристаллизовавшаяся капля, имеющая коническую форму
В нашей лаборатории были поставлены опыты с системой капля воды — кристалл соли; полученные результаты оказались совершенно подобны тем, которые следовали из опытов с системой капля германия — сапфир. В опытах по кристаллизации капель на поверхности сапфира был тщательно прослежен процесс кристаллизации капель в случаях, когда зародыш возникает на границе между каплей и сапфиром или на макушке капли. У обоих процессов проявилась одна общая черта. Оказывается, что вблизи того участка поверхности капли, где процесс кристаллизации завершается,— у макушки,если зародыш возник вблизи сапфира, и вблизи сапфира, если зародыш возник у макушки, образуется выпуклость, нарушающая естественную форму капли. Происхождение этой выпуклости легко понять.
Дело в том, что под закристаллизовавшимся тонким панцирем имеется еще не отвердевшая жидкость. Ее судьба подобна судьбе воды в бочке: кристаллизуясь, она увеличивает свой объем, и поэтому в наиболее тонком месте прорвет панцирь. Происходит сложный процесс: формируется панцирь, под ним кристаллизуется жидкость, форма панциря искажается, и в каком-то месте он может разломаться. Иной раз на этой завершающей стадии кристаллизации капли она становится источником тоненькой фонтанирующей струйки, которая сквозь панцирь выдавливается кристалликом, растущим в объеме капли. Иногда возникает ветвистый фонтанчик, иногда тоненькая струя-иголочка, которая мгновенно замерзает.
Следовательно, правильным было утверждение, что реальность всегда богаче схемы: капля не просто из жидкой становится твердой, а меняет свою форму и о конце кристаллизации сообщает фонтанчиком.
Вернемся теперь к обсуждению причины, из-за которой зародыш неохотно возникает на границе между каплей и камнем. Дело здесь вот в чем. Образование ледяной корочки на границе с камнем должно сопровождаться деформацией и корочки и камня'. Удельный объем льда больше объема воды, и поэтому образующаяся ледяная корочка должна как бы рвать камень, а он, сопротивляясь этому насилию, будет сжимать корочку. Оба эти процесса связаны с деформацией и кристаллизующейся капли и камня. А это невыгодно, и поэтому естественнее, чтобы зародыш возник вдали от камня, где его появление не связано с возникновением дополнительной энергии. Лишь в крайнем случае, когда теплоотвод в камень велик и температура капли вблизи камня значительно ниже, чем у макушки, зародыш может возникнуть на границе вода — камень.
Мы обсудили участь росинки, застывшей на камне, а теперь — о том, что происходит с камнем, на котором росинка застыла.
Где бы зародыш ни возник, в конце концов камню не избежать действия растягивающих напряжений, которые, как уже упоминалось, возникают вследствие скачка объема при кристаллизации капли. Расчет показывает, что они могут достичь сотен килограммов на квадратный сантиметр. Этого вполне достаточно, чтобы под каплей в камне возникли трещинки, очаги разрушения.