Поучительный опыт с кумулятивной струей (В. Майер)

В простом и изящном опыте профессора Г. И. Покровского струя образуется при ударе о твердую поверхность стола вертикально падающей пробирки (с высоты нескольких сантиметров), частично заполненной водой. Поскольку вода смачивает стекло, поверхность воды в пробирке образует вогнутый мениск. При ударе о стол пробирка и находящаяся в ней вода резко тормозятся, возникают очень большие ускорения, жидкость становится как бы очень тяжелой и ее поверхность выравнивается. Края опускаются вниз, а из центральной части небольшое количество воды выбрасывается в воздух в виде узкого кратковременного фонтанчика.

Мы предлагаем вам поставить аналогичный эксперимент, быть может, еще более поразительный, чем опыт с ударяющейся пробиркой.

Аккуратно отрежьте дно пробирки, так чтобы получилась стеклянная трубка диаметром 15 мм и длиной около 100 мм. Верхний конец трубки (с отогнутыми краями) затяните тонкой резиновой пленкой от детского надувного шарика. Налейте в трубку воды и, зажав ее открытый конец пальцем, опустите трубку этим концом вниз в стакан с водой. Убрав палец, поднимите трубку до поверхности воды в стакане так, чтобы в нее вошел воздух и в трубке остался слой воды толщиной примерно 1 см. Поверхность воды в трубке должна находиться на одном уровне с поверхностью воды в стакане.

Расположите трубку вертикально и закрепите ее в штативе. Теперь слегка ударьте пальцем по резиновой пленке: немедленно внутри трубки возникнет кумулятивная струя, поднимающаяся до самой пленки!

Рис. 39

На рис. 39 и 40 приведены рисунки с фотографий опыта, полученных в разные моменты времени для разных ударов, поэтому на них зафиксированы различные фазы образования и разрушения разных кумулятивных струй; на первых двух рисунках вы видите собственно струю, на двух остальных - распадение струи на отдельные капли.

Рис. 40

Сопоставив этот опыт с экспериментом, описанным Г. И. Покровским, попробуйте объяснить его результат.

Предлагаемый опыт особенно интересен тем, что в нем можно наблюдать сам процесс образования кумулятивной струи. В опыте с падающей пробиркой сделать это гораздо сложнее: глаз не успевает фиксировать явления, происходящие в момент образования струи при ударе пробирки о стол. Тем не менее, мы советуем вам еще раз вернуться к опыту с падающей пробиркой и подробнее исследовать причины образования струи. С этой целью предлагаем вам несколько экспериментальных задач.

1. Выясните, влияет ли форма дна пробирки на образование струи. Может быть, струя возникает за счет фокусировки вогнутым дном появляющейся в воде ударной волны? Припаяйте к тонкостенной медной трубке жестяное дно любой интересующей вас формы (например, плоское или вогнутое). Опыты, проделанные с получившимися пробирками, покажут, что форма дна на образование струи не влияет. Таким образом, фокусировкой ударной волны объяснить результат опыта нельзя.
2. Обязательно ли жидкость должна смачивать стенки пробирки. Поместите внутрь стеклянной пробирки небольшой кусочек парафина и расплавьте его на пламени сухого горючего. Вращая удаленную из пламени пробирку, покройте ее изнутри тонким слоем парафина и проведите опыт Г. И. Покровского. В этом случае кумулятивная струя не образуется. Следовательно, смачиваемость стенок пробирки жидкостью является существенным условием опыта.
3. Какие еще опыты можно провести, чтобы получить кумулятивную струю в неподвижной относительно наблюдателя пробирке?