Можно представить явление, которое выглядит диаметрально противоположно описанному выше: жидкая капля, брошенная с большой скоростью и под малым углом на поверхность кристалла, скачет по этой поверхности. Такое явление должно иметь место и наблюдается, например, тогда, когда из брандспойта поливают асфальт. В самом конце струи, там, где асфальт еще не смочен водой, можно наблюдать скачущие капли. Они оставляют на асфальте мокрые пятнышки. Капель много, и очень скоро становится невозможным проследить за последовательностью пятнышек, оставляемых одной каплей.
Недавно в нашей лаборатории совершенно неожиданно студент-дипломник наблюдал капли, скачущие по твердой поверхности, когда ставил эксперименты по взрыву металлических проволочек, вплавленных в кристалл каменной соли.
Эксперимент заключался в следующем. Через проволочку импульсно пропускался электрический ток большой силы, и она взрывалась. Затем с помощью микроскопа исследовалась структура области кристалла вблизи взорвавшейся проволочки. При некоторых условиях осуществления взрыва кристалл растрескивался, и на оголившихся поверхностях можно было наблюдать пунктирные линии, состоявшие из пятнышек, которые оставила скачущая капля расплавленного металла проволоки.
Пунктирная последовательность следов во всех случаях завершалась каплей, которая, израсходовав свою энергию в скачках, прилипла к поверхности и закристаллизовалась на ней.
По фотографиям можно проследить некоторые особенности скачкообразного движения капли на поверхности кристалла. Но прежде чем это сделать — немного теории.
Допустим, что жидкая капля, радиус которой R, падает на плоскую поверхность под малым углом φ между поверхностью и направлением скорости. Если бы капля обладала свойствами абсолютно упругого тела, т. е. без потерь энергии отражалась от поверхности кристалла по закону «угол падения равен углу отражения» и воздух не препятствовал ее полету, она скакала бы по его поверхности сколь угодно долго и длина скачка l оставалась бы неизменной. Эту длину легко вычислить. Воспользуемся обозначениями, которые указаны на рисунке. Очевидно, в направлении, параллельном поверхности кристалла, капля, имея скорость υ1= υ0cosφ, будет лететь в течение всего того времени, которое понадобится ей для того, чтобы в поле земного тяготения вначале подняться от поверхности на максимальную высоту, а затем с этой высоты спуститься на поверхность кристалла. Это время -
τ = 2υ1/g
В приведенных формулах мы воспользовались тем, что φ мало. Только в этом случае можно считать, что cosφ ≈ 1, a sinφ ≈ φ.
Так было бы, если бы выполнялись обусловленные идеальные обстоятельства. В действительности капля, прыгая по твердой поверхности, теряет энергию. Во-первых, полету препятствует воздух и часть энергии расходуется на преодоление его сопротивления. Во-вторых, в момент удара капля вязко деформируется, а затем, оттолкнувшись от поверхности, восстанавливает свою форму. И на это необходима энергия. В-третьих, в каждой точке, где капля коснулась твердой поверхности, остается жидкое пятнышко. Его появление можно представить себе как отщепление от капли жидкой пластинки, т. е. появление двух свободных поверхностей жидкости, площадь каждой из которых равна площади оставленного пятнышка. При этом расходуется энергия Ws= 2а•S, где S— площадь пятнышка. Точно учесть все потери энергии скачущей капли — дело совсем не простое, так как они зависят от очень многого: скорости полета, массы капли, вязкости и поверхностного натяжения вещества капли. Величина этих потерь изменяется от скачка к скачку. Если сделать заведомо упрощающее предположение, что в каждом очередном скачке капля теряет одну и ту же энергию W, изменяя при этом массу незначительно, можно определить длину n-го скачка (lп) с помощью формулы, которая следует из предыдущей:
Полученная формула свидетельствует о том, что каждый следующий скачок должен быть короче предыдущего. Кроме того, из нее следует, что общее число скачков не может быть больше, чем п* = W0/ΔW. Фотографии подтверждают сделанные выводы: последующий скачок действительно короче предыдущего, и число скачков ограничено.
Так как конец пути капли на фотографиях запечатлен достовернее начала, можно надежно выяснить судьбу капли, прослеживая ее траекторию в направлении, противоположном направлению полета. Оказывается, что перед самым финишем на последнем этапе капля (которая изображена на приведенной фотографии) весила всего 4.10-8 г и имела энергию ~3.10-6 эрг, т. е. ее скорость была немногим больше 10 см/сек.