Избранные научные труды. Том 1

Для применявшихся струй член cos 2θ cos 𝑘₂𝑧 уже непосредственно у отверстия оказывался преобладающим, а величины 𝑏₃, 𝑏₅, …, были ничтожно малы по сравнению с 𝑏₂ т.е. упомянутое выше обследование обнаруживало почти полную симметрию струи относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через её ось. Таким образом, в описанном эксперименте струя на расстоянии 30 см от отверстия должна совершать почти чисто гармонические колебания.

В экспериментах использовалась обычная водопроводная вода. Для целей исследования было важно получить струю, которая могла течь произвольно долго без изменений (при постоянной скорости и температуре). Чтобы обеспечить нужную постоянную температуру воды, её пропускали из крана через длинную спиральную свинцовую трубку, помещённую в водяную ванну, а затем через регулятор, связанный с газовым нагреванием ванны. Этим способом можно было произвольно долго поддерживать постоянную температуру воды с точностью до 0,01° С.

Рис. 1.

Установка для поддержания постоянного напора схематически изображена на рис. 1. Вода, выходящая из нагревательного аппарата, попадала в стеклянный сосуд A, в котором имелась водосливная трубка В, обеспечивавшая постоянный уровень воды. Из сосуда A вода последовательно переходила в два других сосуда C и D объёмом по 5 литров. В сосуде C также имелась водосливная трубка E. Оба сосуда соединялись изогнутой стеклянной трубкой F большого диаметра. Воду из сосудов можно было выпускать с помощью кранов H и K. Из сосуда D вода с помощью длинной стеклянной трубки L подводилась к стеклянной трубке M. Вся установка располагалась в подвале, резервуары и трубки были укреплены на каменных фундаментах. Перед каждым экспериментом все резервуары и трубки тщательно очищались и промывались, после чего устанавливалась такая скорость потока, чтобы через обе водосливные трубки протекали струйки постоянной, не очень большой интенсивности.

С помощью описанной установки уровень воды в сосуде D был весьма устойчивым и совершенно не зависел от изменений давления в водопроводной трубе. Температура воды во всех экспериментах была равна примерно 12° С.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости нужно знать следующие величины: 1) плотность, ρ; 2) расход жидкости в секунду, 𝑉; 3) скорость струи, 𝑐; 4) средний радиус струи, 𝑎; (эти четыре величины связаны соотношением 𝑉=ρ𝑐π𝑎); 5) длину волны колебаний и, наконец, 6) амплитуду волны (для вычисления поправки).

Плотность ρ водопроводной воды при температуре 12° С оказалась столь близкой к 1 (ρ ≈ 1,0001), что вполне можно было положить ρ = 1; допускавшаяся при этом ошибка была намного меньше экспериментальных погрешностей.

Измерение расхода не представляло затруднений; его можно было произвести с относительной точностью 0,02%.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ СТРУИ ¹

¹ Критический обзор методов измерения скорости, использовавшихся в прежних исследованиях, имеется в работе Педерсена (Р. О. Pedersen. Phil. Trans. Roy. Soc., 1907, A207, 341).

Если струя вытекает из стеклянной трубки, то скорость не может быть точно вычислена по напору воды вследствие наличия трения в трубке. Поэтому в настоящем исследовании применялся прямой метод измерения скорости струи. В общих чертах метод состоял в следующем. Через равные промежутки времени струя в некоторой фиксированной точке перерезалась острым и тонким ножом и при этом тотчас же фотографировалась. Если расстояние между двумя последовательными разрывами струи, измеряемое по фотографии, равно 𝑎, а промежуток времени — 𝑡, то скорость струи 𝑐=𝑎/𝑡.

На рис. 2 представлена схема установки (вид сверху и сбоку). Вращающийся механизм ABCD разрезает струю, последовательно включая и выключая освещение. Радиально расположенные ножи, представляющие собой сплющенные иголки, прикреплены к металлическому диску A; измеренная ширина их была равна 0,4 мм, а толщина — около 0,03 мм. Ось вращения механизма не была параллельна струе и образовывала с ней небольшой угол, чтобы нож, пересекающий струю, имел бы такую же составляющую скорости, параллельную оси струи, как и частицы воды.

Рис. 2

Металлический диск D имеет вблизи края радиальную щель, которая один раз в течение каждого оборота располагается против соответствующей щели в экране E. Весь механизм приводился в действие электрическим мотором, скорость вращения которого можно было регулировать изменением сопротивления. Для обеспечения постоянства скорости на оси механизма укреплен небольшой маховик B. Кроме того, на оси имеется контакт C для подсчёта числа оборотов; замыкая электрическую цепь один раз в течение каждого оборота, он приводил в движение электромагнит, который делал отметку на барабане кимографа. Другой электромагнит делал отметки на том же барабане каждую секунду.