Капля на горячей поверхности (М. Голубев, А. Кагаленко)

Расположив утюг горизонтально, капните на него немного воды. Если температура утюга около 100°С (немного больше 100°С), то ничего особенного не произойдет. Капелька растечется по поверхности утюга и быстро, за несколько секунд, испарится. Если же температура утюга значительно больше 100°С (300-350°С), картина явления будет другой. Капелька, упав на утюг, отскочит от него, как мячик от пола (невысоко, на высоту 1-5 мм), и затем будет двигаться, не касаясь нагретой поверхности. Стабильность такого состояния зависит, прежде всего, от температуры поверхности - чем сильнее нагрет утюг, тем спокойнее ведет себя капля. Кроме того, время пребывания капли на утюге до полного ее испарения увеличивается во много раз. Причем скорость испарения капли зависит от ее размера: большие капли быстро уменьшаются в размерах до 3-5 мм, а маленькие "живут" довольно долго без заметных изменений. В одном из наших опытов капля диаметром 3 мм продержалась до полного испарения около 5 минут (300 секунд).

В чем причина столь странного поведения капли? Вернемся к началу опыта - капля воды падает на раскаленную поверхность. В начальный момент ее температура около 20°С. Затем буквально за доли секунды нижние слои нагреваются до 100°С, и начинается столь интенсивное испарение, что сила давления образующихся паров воды становится больше силы тяжести капли. Капля подпрыгивает, затем снова падает на утюг. За несколько подскоков вся вода в капле успевает прогреться до температуры кипения. Далее при достаточной температуре нагретой поверхности капля быстро успокаивается и начинает двигаться на некоторой высоте над этой поверхностью. Очевидно, в" этом случае сила давления паров воды уравновешивает силу тяжести, действующую на каплю. В установившемся режиме капля довольно стабильна и "живет" значительное время.

Обратите внимание на форму капли. При малых размерах форма капли близка к сферической, а при больших сфера оказывается сильно сжатой в вертикальном направлении. Дело в том, что капля над горячей поверхностью находится как бы на паровой подушке, опирается на нее. Возникает сила реакции, которая и вызывает деформацию капли. Чем капля больше, тем эта деформация заметнее.

Рис. 43

В каплях (особенно больших) могут возникать колебательные процессы, например, сжатие и растяжение, а также и более сложные колебания (рис. 43 и 44). На фотографии, приведенной на рис. 43, в центре капли видно темное пятно. Это - образовавшийся внутри капли воды пузырек пара. В больших каплях может возникнуть несколько таких пузырьков. Иногда капля приобретает форму кольца с одним большим пузырьком пара посередине. При таком режиме испарение происходит так интенсивно, что капля на глазах уменьшается в своих размерах.

Рис. 44

На рис. 44 показан один из наиболее интересных видов колебаний - "треугольная капля".

В заключение несколько советов тем, кто захочет сам провести описанные опыты.

1. Желательно взять утюг, рабочая поверхность которого была бы как можно ровнее, т. е. чтобы отсутствовали царапины, неровности и т. п. Встреча капли с неровностью утюга значительно сокращает время ее жизни (подумайте, почему?).
2. Утюг надо как-то закрепить (например, в штативе) и привести его поверхность в горизонтальное положение. В наших опытах использовался штатив от геодезического прибора.
3. Не следует забывать и о технике безопасности, прежде всего, о надежности изоляции провода утюга и о предохранении от попадания кипящей воды на руки.