Биение ртутного сердца. Железная игла касается макушки капли
Интересен механизм возникновения пульсаций в том случае, когда игла прикасается к поверхности ртути не на контуре капли, а в ее центре, в макушке. Казалось бы, наступающее при этом повышение поверхностного натяжения должно сопровождаться поднятием макушки и образованием ненарушающегося контакта с иглой. Если контакт ненарушающийся — пульсаций быть не может. В действительности, однако, происходит иное. Макушка капли чуть наползает на иглу, а затем под действием силы тяжести отрывается от нее. Этот первый импульс дает толчок колебаниям. Капля раскачивается, «сердце» начинает пульсировать.
Любопытная деталь: при переносе иглы с контура капли на ее макушку частота пульсаций увеличивается. Это совершенно аналогично повышению частоты колебаний гитарной струны, если пальцем прижать ее к грифу посредине между точками закрепления. В случае капли — игла, а в случае струны — палец, создавая узел, уменьшают длину волны колебаний и, следовательно, повышают их частоту.
Необходимо подчеркнуть, что ртутное сердце отнюдь не вечный двигатель. Во время его работы расходуется энергия, выделяющаяся при химической реакции между ртутью, железом, соляной кислотой и двухромовокислым калием. В этой реакции расходуются исходные компоненты, и она прекратится, _ когда, скажем, будет съеден железный гвоздь. В «невечности» ртутного сердца можно легко убедиться, взяв вместо гвоздя тонкую проволочку. Скоро контакт между каплей и проволочкой перестанет воспроизводиться, так как кончик проволоки будет съеден. Чтобы «сердце» опять заработало, надо проволочку придвинуть к капле: явно — не вечный двигатель!
Задумали мы снять кардиограмму ртутного сердца. Много сведений из нее не из влечешь, разве только определишь количество пульсаций в секунду, а их можно просто посчитать, наблюдая за каплей, или для верности воспользоваться кадрами кинофильма. И все-таки снять кардиограмму любопытно. У нашего лабораторного «сердца» диаметр капли ртути 4 см, игла касается его контура, и пульсирует оно с частотой 120 ударов в минуту.
Вначале решили воспользоваться работающим сердцем как прерывателем электрической цепи, регистрируя моменты включения и выключения с помощью самопишущего прибора. От этой мысли, однако, отказались, так как любое электрическое вмешательство в ртутное сердце неизбежно исказит его пульсации. Поступили по-иному. Тоненький луч света направили на зеркальную поверхность пульсирующей капли, а отраженный от нее мечущийся луч подавал сигнал на самописец, который и записал кардиограмму. На кардиограмме видна последовательность чередующихся максимумов и минимумов, четких, строгих, периодических, без перебоев, на зависть иному человеческому сердцу.
Как капля жидкости могла оказаться внутри твердого кристалла? С ответа на этот вопрос и начнем очерк.
Начнем издалека, с момента зарождения кристалла. Представим себе, что будущий кристалл — пусть для определенности это будет кристалл какой-нибудь соли — должен зародиться и вырасти из ее водного раствора вследствие выпадения избыточной соли. Скажем, температура раствора понизилась - и некоторое количество соли оказалось избыточным. Оно и является строительным материалом для кристалла. Вначале появится микроскопический кристаллик — зародыш, а затем он будет подрастать по мере осаждения на нем атомов соли из раствора. В реальных условиях роста, где-то в земных недрах, обстоятельства могут сложиться так, что растущий кристалл случайно захватит в свой объем капельку материнского раствора. Захватит и будет продолжать расти. И через некоторое время эта капелька окажется в объеме кристалла, вдали от поверхности: ведь любая точка в объеме кристалла некогда была на его поверхности.
Все может произойти и по иному механизму. Допустим, что кристалл будет расти в процессе замерзания раствора. Удобнее всего в качестве примера иметь в виду соленую морскую воду, которая с наступлением морозов превратится в кристаллы льда. Концентрация соли во льду в соответствии с законами физики немного ниже, чем в воде. Это значит, что, вырастая, кристаллы льда будут оттеснять соль в воду. И еще из законов физики следует, что, чем больше концентрация соли в воде, тем при более низкой температуре она кристаллизуется. Эти два следствия физических законов оправдывают существование в кристаллах льда жидких капель раствора соли в воде: обогащенная солью вода кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура льда, в котором находится жидкое включение. А попасть в объем кристалла льда соленые капли могли так же, как и в предыдущем примере: растущий кристалл их мог случайно захватить.