Кап, кап... Ось чергова крапля зібралася на носику крана, набрякла і зірвалася вниз. Подібна картина знайома будь-кому. Або теплий літній дощик поливає землю, що скучала по волозі, - і знову краплі. А чому саме краплі? У чому причина? Все дуже просто: причиною цього є поверхневий натяг води.

Це одна із властивостей води або, якщо говорити загалом, усіх рідин. Як відомо, газ заповнює весь об'єм, у який потрапляє, а от рідина цього зробити не може. Молекули, що знаходяться всередині об'єму води, оточені такими самими молекулами з усіх боків. А ось ті, що знаходяться на поверхні, на межі рідини і газу, зазнають впливу не з усіх боків, а лише з боку тих молекул, які розташовані всередині об'єму, з боку газу на них впливу немає.

При цьому на поверхні рідини діятиме сила, спрямована вздовж неї перпендикулярно до того ділянки поверхні, на який вона діє. Внаслідок дії цієї сили і виникає поверхневий натяг води. Зовнішнім його проявом буде утворення подібності невидимої, пружної плівки на межі розділу. Внаслідок впливу поверхневого натягу крапля води набуде форми сфери як тіла, що має найменшу площу при заданому обсязі.

Тепер можна визначити, що поверхневе натяг - це робота зі зміни поверхні рідини. З іншого боку, його можна визначити як енергію, необхідну для розриву одиниці поверхні. Поверхневий натяг можливий на межі рідини та газу. Воно визначається силою, що діє між молекулами, і значить відповідальною за леткість (випаровуваність). Чим менша величина поверхневого натягу, тим більше леткої буде рідина.

Можна визначити, чому одно Формула щодо його обчислення включає у собі площа поверхні і Як згадувалося раніше, коефіцієнт залежить від форми і величини поверхні, а визначається силою міжмолекулярного взаємодії, тобто. тип рідини. Для різних рідин його величина буде різною.

Поверхневий натяг води можна змінювати. Це досягається нагріванням, додаванням біологічно активних речовин - таких як мило, порошок, паста. Його величина залежить від рівня чистоти води. Чим чистіша вода, тим величина поверхневого натягу більша, і вона за своїм значенням поступається тільки ртуті.

Цікавий ефект спостерігається, коли рідина стикається і з твердою речовиною, і газом. Якщо ми нанесемо краплю води на поверхню парафіну, то вона набуде форми кульки. Це викликано тим, що сили, що діють між парафіном і краплею, менші, ніж взаємодія між собою внаслідок чого і з'являється кулька. Коли сили, що діють між поверхнею і краплею, будуть більшими, ніж сили міжмолекулярної взаємодії, вода рівномірно розтечеться по поверхні. Це називається змочуванням.

Ефект змочуваності певною мірою може характеризувати ступінь чистоти поверхні. На чистій поверхні крапля розтікається рівномірно, а якщо поверхня забруднена або покрита речовиною, що не змочується водою, то остання збирається в кульки.

Як приклад використання поверхневого натягу в промисловості можна навести вилив сферичних деталей, наприклад, дроби для рушниць. Краплі розплавленого металу просто застигають на льоту, приймаючи кулясту форму.

Поверхневий натяг води, як і будь-якої іншої рідини, є одним із важливих її параметрів. Воно визначає деякі характеристики рідини - такі, як леткість (випаровування) та змочуваність. Його значення залежить лише від параметрів міжмолекулярної взаємодії.

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Вступ

У навколишньому світі поряд з тяжінням, пружністю та тертям діє ще одна сила, на яку ми зазвичай не звертаємо увагу. Ця сила діє вздовж дотичної поверхні всіх рідин. Силу, яка діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно до лінії, що обмежує цю поверхню, прагне скоротити її до мінімуму, називають силою поверхневого натягу. Вона порівняно мала, її дія ніколи не викликає сильних ефектів. Тим не менш, ми не можемо налити воду в склянку, взагалі нічого не можемо зробити з якоюсь рідиною без того, щоб не привести в дію сили поверхневого натягу. До ефектів, які називають поверхневим натягом, ми настільки звикли, що не помічаємо їх. Напрочуд різноманітні прояви поверхневого натягу рідини в природі та техніці. У природі та в нашому житті вони відіграють важливу роль. Без них ми не могли б писати гелієвими ручками, картриджив принтерах відразу ж ставили б велику ляпку, спорожнивши весь свій резервуар. Не можна було б намилити руки – піна не утворилася б. Слабкий дощ промочив би нас наскрізь, а веселку не можна було б бачити за жодної погоди. Поверхневий натяг збирає воду в краплі і завдяки поверхневому натягу можна видути мильний міхур. Використовуючи правило "Вчасно дивуватися" бельгійського професора Плато для дослідників, розглянемо в роботі незвичайні досліди.

Мета роботи: експериментально перевірити прояви поверхневого натягу рідини, визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідин методом відриву крапель.

Вивчити навчальну, науково-популярну літературу, використовувати матеріали у мережі «Інтернет» на тему «Поверхневий натяг»;

зробити досліди, що доводять, що власна форма рідини - куля;

провести експерименти зі зменшенням та збільшенням поверхневого натягу;

сконструювати та зібрати експериментальну установку, за допомогою якої визначити коефіцієнт поверхневого натягу деяких рідин методом відриву крапель.

обробити отримані дані та зробити висновок.

Об'єкт дослідження: рідини.

Основна частина. Поверхневий натяг

Рис 1. Г. Галілей

Численні спостереження та досліди показують, що рідина може приймати таку форму, при якій її вільна поверхня має найменшу площу. У своєму прагненні скоротитися поверхнева плівка надавала б рідини сферичну форму, якби не тяжіння до Землі. Чим менше крапля, тим більшу роль відіграють сили поверхневого натягу. Тому маленькі крапельки роси на листі дерев, на траві близькі формою до кулі, при вільному падінні дощові краплі майже строго кулясті. Прагнення рідини скорочуватися до можливого мінімуму можна спостерігати на багатьох явищах, які здаються дивовижними. Ще Галілей замислювався над питанням: чому краплі роси, які він бачив вранці на листі капусти, набувають кулястої форми? Твердження, що рідина немає своєї форми, виявляється не зовсім точним. Власна форма рідини - куля як найбільш ємна форма. Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють упорядковані структури у всьому обсязі кристала і можуть здійснювати теплові коливання біля фіксованих центрів, молекули рідини мають більшу свободу. Кожна молекула рідини, як і у твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і здійснює теплові коливання близько певного положення рівноваги. Однак іноді будь-яка молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять декілька молекул. 1

Рис 2. Приклад ближнього порядку молекул рідини та далекого порядку молекул кристалічної речовини: 1 – вода; 2 - лід

А як можна пояснити мимовільне скорочення поверхні рідини? Молекули на поверхні та в глибині рідини знаходяться у різних умовах. На кожну молекулу всередині рідини діють сили тяжіння з боку сусідніх молекул, що оточують її з усіх боків. Результуюча цих сил дорівнює нулю. Над поверхнею рідини знаходиться пара, щільність якої в багато разів менша за щільність рідини, і взаємодією молекул пари з молекулами рідини можна знехтувати. Молекули, що знаходяться на поверхні рідини, притягуються лише молекулами, що знаходяться усередині рідини. Під впливом цих сил молекули поверхневого шару втягуються всередину, число молекул лежить на поверхні зменшується, площа поверхні скорочується. Не всі молекули можуть з поверхні піти всередину рідини, цьому перешкоджають сили відштовхування, що виникають при зменшенні відстаней між молекулами. При певних відстанях між молекулами, що втягуються всередину, та молекулами, що знаходяться під поверхнею, сили взаємодії стають рівними нулю, процес скорочення поверхні припиняється. На поверхні залишається таке число молекул, при якому її площа виявляється мінімальною для об'єму рідини. Так як рідина текуча, вона приймає таку форму, при якій число молекул на поверхні мінімальне, а мінімальну поверхню при даному обсязі має кулю, тобто крапля рідини приймає форму, близьку кульовий. Найпростіше вловити характер сил поверхневого натягу, спостерігаючи утворення краплі. Придивіться уважно, як поступово росте крапля, утворюється звуження - шийка, - і крапля відривається. Не потрібно багато фантазії, щоб уявити, що вода ніби укладена в еластичний мішечок, і цей мішечок розривається, коли вага перевищує його міцність. Насправді, звичайно, нічого крім води, у краплі немає, але сам поверхневий шар води поводиться, як розтягнута еластична плівка. Таке ж враження справляє плівка мильної бульбашки.

Досвід №1

Тримання рідини до мінімуму потенційної енергії можна спостерігати за допомогою мильних бульбашок. Мильна плівка є подвійним поверхневим шаром. Якщо видути мильний міхур, а потім припинити надування, то він стане зменшуватися в обсязі, вичавлюючи з себе струмінь повітря.

Поверхневий натяг - явище молекулярного тиску на рідину, що викликається тяжінням молекул поверхневого шару до молекул всередині рідини. 5

Досвід Плато (1849р.)

Мал. 4. Ж.Плато

Оводом, який спонукав бельгійського професора до дослідів, був випадок. Ненароком він налив у суміш спирту і води невелику кількість масла, і воно набуло форми кулі. Розмірковуючи над цим фактом, Плато намітив низку дослідів, які згодом блискуче були виконаними його друзями та учнями. У своєму щоденнику він написав для дослідників правило: "Вчасно дивуватися". Я вирішила дослідити досвід Плато, але в іншому варіанті: використовувати в досвіді олію та підфарбовану марганцову воду.

Досвід, що доводить, що однорідна рідина набуває форми з мінімальною вільною поверхнею

Варіант досвіду Плато №2

1) У мензурку налили олію.

2) Очною піпеткою капнули в олію краплю підфарбованої марганцової води діаметром приблизно 5мм.

) Спостерігали кульки води різного розміру, що повільно падають на дно і приймають овальну плескату форму (Фото 2).

5) Спостерігали, як крапля набуває правильної форми кулі (Фото 2).

Висновок: Рідина, притягуючи молекули поверхневого шару, стискає саму себе. Овальна плеската форма пояснюється тим, що вага краплі, яка не змішується з маслом, більше виштовхує сили. Правильна форма кулі пояснюється тим, що крапля плаває всередині олії: вага краплі врівноважується силою, що виштовхує.

При вільному падінні, у стані невагомості краплі дощу практично мають форму кулі. У космічному кораблі кулясту форму набуває досить велика маса рідини.

Коефіцієнт поверхневого натягу

Без зовнішньої сили вздовж поверхні рідини діє сила поверхневого натягу, яка скорочує до мінімуму площу поверхні плівки. Сила поверхневого натягу - сила, спрямована по дотичній поверхні рідини, перпендикулярно ділянці контуру, що обмежує поверхню, у бік її скорочення.

Ơ - коефіцієнт поверхневого натягу - це відношення модуля F сили поверхневого натягу, що діє на межу поверхневого шару ℓ, до цієї довжини є постійна величина, не залежна від довжини ℓ. Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від природи середовищ, що межують, і від температури. Його виражають у ньютонах на метр (Н/м).

Досліди зі зменшенням та збільшенням

Фото 3

поверхневого натягу

Досвід №3

Доторкнулися до центру поверхні води шматочком мила.

Шматочки пінопласту починають рухатися від центру до країв судини (фото 3).

Капали в центр судини бензином, спиртом, миючим засобом "Fairy".

Висновок: Поверхневий натяг цих речовин менше, ніж у води.

Ці речовини застосовуються видалення бруду, жирних плям, сажі, тобто. не розчинних у воді речовин. Через досить високий поверхневий натяг вода сама по собі не має дуже хорошу дію, що чистить. Наприклад, вступаючи в контакт з плямою, молекули води притягуються один до одного більше, ніж до частинок нерозчинного бруду. Мило та синтетичні миючі засоби (СМС) містять речовини, що зменшують поверхневий натяг води. Перше мило, найпростіший миючий засіб, було отримано на Близькому Сході понад 5000 років тому. Спочатку воно використовувалося, головним чином, для прання та обробки виразок та ран. І лише у 1 столітті н.е. людина стала митися з милом.

На початку 1-го століття мило з'явилося світ.

Від бруду врятувало людину і стала вона чистою з юних років.

Я говорю вам про мило, що незабаром породило: шампунь, гель, порошок.

Став чистим світ, як добре!

Рис 5. Ф. Гюнтер

Миючими засобами називаються натуральні та синтетичні речовини з очищувальною дією, особливо мило та пральні порошки, що застосовуються у побуті, промисловості та сфері обслуговування. Мило отримують в результаті хімічної взаємодії жиру та лугу. Швидше за все, воно було відкрито з чистої випадковості, коли над багаттям смажили м'ясо, і жир стікав на золу, що має лужні властивості. Виробництво мила має давню історію, а ось перший синтетичний миючий засіб (СМС) з'явився в 1916 р., його винайшов німецький хімік Фріц Гюнтердля промислових цілей. Побутові СМС, більш менш нешкідливі для рук, стали випускатися 1933р. З того часу розроблено цілу низку синтетичних миючих засобів (СМС) вузького призначення, а їх виробництво стало важливою галуззю хімічної промисловості.

Саме через поверхневе натягнення вода сама по собі не має достатньої чистячої дії. Вступаючи в контакт з плямою, молекули води притягуються одна до одної, замість того, щоб захоплювати частинки бруду, тобто вони не змочують бруд.

Мило та синтетичні миючі засоби містять речовини, що підвищують змочують властивості води за рахунок зменшення сили поверхневого натягу. Ці речовини називаються поверхнево-активними (ПАР), оскільки діють на поверхні рідини.

Наразі виробництво СМС стало важливою галуззю хімічної промисловості. Ці речовини називають поверхнево-активною речовиною(ПАР), оскільки діють на поверхні рідини. Молекули ПАР можна подати у вигляді пуголовків. Головами вони чіпляються за воду, а хвістами за жир. Коли ПАР змішують із водою, їх молекули лежить на поверхні звернені «головами» вниз, а «хвостами» назовні. Роздробивши таким чином поверхню води, ці молекули значно зменшують ефект поверхневого натягу, тим самим допомагаючи воді проникнути в тканину. Цими ж «хвостиками» молекули ПАР (Рис 6) захоплюють молекули жиру, що трапляються ним. 2

Досвід №4

1.Налили в блюдце молоко так, щоб воно закрило дно (Фото 4)

2. Капнули на поверхню молока 2 краплі зеленки

3. Спостерігали, як зеленка захоплюється від центру до країв. Дві краплі зеленки покривають більшу частину поверхні молока! (Фото 5)

Висновок: поверхневе натяг зеленки, набагато менше, ніж молока.

4. На поверхню зеленки крапли рідина для миття посуду Fairy, ми побачили, як ця рідина розтеклася по всій поверхні.(Фото 6)

Висновок:поверхневе натягування миючого засобу менше, ніж зеленки.

Досвід №5

У широку скляну посудину налили воду.

На поверхню кинули шматочки пінопласту.

Доторкнулися до центру поверхні води шматочком цукру.

Вусочки пінопласту починають рухатися від країв судини до центру (Фото 7).

Висновок:поверхневе натягування водного розчину цукру більше, ніж чистої води.

Досвід №6

Видалення з поверхні тканини жирової плями

Змочили бензином ватку і цією ваткою змочили краї плями (а не сама пляма). Бензин зменшує поверхневий натяг, тому жир збирається до центру плями і звідти його можна видалити, цією ж ваткою якщо ж змочувати, сама пляма, то вона може збільшитися в розмірах внаслідок зменшення поверхневого натягу.

Для експериментального визначення значення поверхневого натягу рідини можна використовувати процес утворення та відриву крапель, що випливають із крапельниці.

Коротка теорія методу відриву крапель

Малий об'єм рідини сам по собі набуває форми, близької до кулі, оскільки завдяки малій масі рідини мала і сила тяжіння, що діє на неї. Цим пояснюється куляста форма невеликих крапель рідини. На рис.1 наведено фотографії, на яких показані різні стадії процесу утворення та відриву краплі. Фотографія отримана за допомогою швидкісної кінозйомки, крапля зростає повільно, можна вважати, що в кожний момент часу вона знаходиться в рівновазі. Поверхневе натяг викликає скорочення поверхні краплі, воно прагне надати краплі сферичну форму. Сила тяжіння має центр ваги краплі якомога нижче. Через війну крапля виявляється витягнутої (рис.7а).

Мал. 7. а б у г

Процес утворення та відриву крапель

Чим більше крапля, тим більшу роль відіграє потенційна енергія сили тяжіння. Основна маса зі зростанням краплі збирається внизу і в краплі утворюється шийка (рис.7б). Сила поверхневого натягу спрямована вертикально по дотичній до шийки і врівноважує силу тяжіння, що діє на краплю. Тепер досить краплі зовсім трохи збільшитись і сили поверхневого натягу вже не врівноважують силу тяжіння. Шийка краплі швидко звужується (рис.7в) і результаті крапля відривається (рис.7г).

Метод вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу деяких рідин ґрунтується на зважуванні крапель. У разі повільного витікання рідини з малого отвору розмір крапель, що утворюються, залежить від щільності рідини, коефіцієнта поверхневого натягу, розміру і форми отвору, а також від швидкості закінчення . При повільному витіканні змочує рідини з вертикальної циліндричної трубки крапля, що утворюється, має форму, показану на малюнку 8. Радіус r шийки краплі пов'язаний із зовнішнім радіусом трубки R співвідношенням r = kR (1)

де k - коефіцієнт, що залежить від розмірів трубки та швидкості витікання.

Момент відриву вага краплі повинен дорівнювати рівнодіючої сил поверхневого натягу, що діють по довжині, рівної протяжності контуру шийки в її вузькій частині. Таким чином, можна записати

Mg = 2πrơ (2)

Підставляючи величину радіуса шийки r із рівності (1) і вирішуючи його, отримаємо

Ơ =mg/2πkR (3)

Для визначення маси краплі деяке число n крапель зважують у склянці відомої ваги. Якщо маса стаканчика без крапель і краплями буде відповідно М 0 і М, то маса однієї краплі

Підставляючи останній вираз у формулу (3) і вводячи замість радіуса трубки її діаметр d, отримаємо розрахункову формулу

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Дослідницька робота «Визначення коефіцієнта поверхневого натягу деяких рідин методом відриву крапель»

Мета дослідження: визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини методом відриву крапель деяких рідин. ПриладиОсі: установка для вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу, ваги, різновага, стаканчик, штангенциркуль, секундомір. Матеріали: миючі засоби: Fairy, Aos, молоко, спирт, бензин, розчини порошків: Міф, Persil, шампуні "Fruttis", « Pantene», «Schauma»і « Fruttis», гелі для душу Sensen», «Монпансьє»і « Discover».

Опис приладу.

Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу зібрали установку, що складається зі штатива, на якому встановили бюретку з рідиною, що досліджується. На кінці бюретки зміцнили наконечник-трубку, на кінці якої утворюється крапля. Зважування крапель проводили у спеціальному стаканчику.

Хід дослідження

За допомогою штангенциркуля виміряли діаметр наконечника-трубки тричі і обчислили середнє значення d.

Зважили на терезах чистий сухий стаканчик (М 0).

За допомогою краника бюретки досягли швидкості витікання крапель.

15 крапель за хвилину.

Відлили з бюретки в склянку 60 крапель рідини, вважаючи точно кількість відлитих крапель.

Зважили склянку з рідиною. (М)

Підставили отримані значення формулу ơ = (((M-M0)g)/πkdn

Вирахували коефіцієнт поверхневого натягу.

Провели досвід тричі

Вирахували середнє значення коефіцієнта поверхневого натягу.

Коефіцієнт поверхневого натягу в системі СІ вимірюється Н/м.

Таблиця №1

Результати визначення коефіцієнта поверхневого натягу (Н/м)

Рідина	Коефіцієнт поверхневого натягу
	Виміряне	Табличне
Спирт етиловий
Молоко (2,5)
Молоко (домашнє коров'яче)
Розчин порошку "Міф"
Розчин порошку Persil
Миючий засіб «Fairy»
Миючий засіб «Aos»

Висновок:З досліджених кухонних миючих засобів, при решті однакових параметрів, що впливають на якість «відмивання», краще використовувати засіб « Fairy». З досліджених пральних порошків « Міф», т.к. саме їх розчини мають найменший поверхневий натяг. Отже, перший засіб (« Fairy») краще допомагає змивати нерозчинні у воді жири з посуду, будучи емульгатором - засобом, що полегшує отримання емульсій (суспензій дрібних частинок рідкої речовини у воді). Друге (« Міф») краще відмиває білизну, проникаючи в пори між волокнами тканин. Зауважимо, що з використанні кухонних миючих засобів, ми змушуємо речовина (зокрема жир) хоча б деякий час розчиниться у питній воді, т.к. відбувається «дроблення» його на дрібні частки. За цей час рекомендується змити нанесений миючий засіб струменем чистої води, а не обполіскувати посуд через якийсь час у ємності. Крім того, досліджували поверхневий натяг шампунів і гелів для душу. Через досить високу в'язкість цих рідин складно точно визначити коефіцієнт поверхневого натягу їх, зате можна порівняти. Були досліджені (методом відриву крапель) шампуні. «Pantene», «Schauma»і « Fruttis», а також гелі для душу Sensen», «Монпансьє»і « Discover».

Висновок:

Поверхневий натяг зменшується в шампунях ряду "Fruttis" - «Schauma» - Pantene,у гелях - у ряді «Монпансьє» - «Discover» - "Senses".

Поверхневий натяг шампунів менший за поверхневий натяг гелів (Наприклад « Pantene» < «Senses»на 65 мН/м), що виправдовує їх призначення: шампуні – для миття волосся, гелі – для миття тіла.

При решті однакових характеристик, що впливають на якість миття, з досліджених шампунів краще використовувати "Pantene" (Рис. 9),з досліджених гелів для душу - "Senses" (Рис.10).

Метод відриву крапель, не дуже точним, однак, використовується в медичній практиці. Цим методом визначають у діагностичних цілях поверхневий натяг спинномозкової рідини, жовчі і т.д.

Висновок

1. Отримано експериментальні підтвердження теоретичних висновків , які доводять, що однорідна рідина набуває форми з мінімальною вільною поверхнею

2. Проведені експерименти зі зменшенням та збільшенням поверхневого натягу, результати яких довели, що мило та синтетичні миючі засоби містять речовини, що підвищують змочують властивості води за рахунок зменшення сили поверхневого натягу.

3. Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідин

а) вивчено коротку теорію методу відриву крапель;

б) сконструйовано та зібрано експериментальну установку;

в) обчислено середні значення коефіцієнта поверхневого натягу різних рідин, зроблено висновки.

4. Результати експериментів та дослідження представлені у вигляді таблиці та фотографій.

Робота над проектом дозволила мені набути більш широких знань з розділу фізики «Поверхневий натяг».

Мені хочеться закінчити свій проект словами великого вченого фізика

А. Ейнштейна:

«Мені достатньо випробувати відчуття вічної таємниці життя, усвідомлювати та інтуїтивно осягати чудову структуру всього сущого і активно боротися, щоб схопити навіть найменшу крупинку розуму, який проявляється в Природі»

Список використаних джерел та літератури

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

http://www.agym.spbu.ru/

Буховцев Б.Б., Климонтович Ю. Л., Мякішев Г.Я., Фізика, підручник для 9 класу середньої школи - 4-те видання - М.: Просвітництво, 1988 - 271 с.

Касьянов В.А., Фізика, 10 клас, підручник для загальноосвітніх навчальних закладів, М: Дрофа, 2001р. – 410 с.

Пінський А.А. Фізика: підручник. Посібник для 10 класів із поглибленим вивченням фізики. М.: Просвітництво, 1993р. – 416 с.

Юфанова І.Л. Цікаві вечори з фізики у середній школі: книга для вчителя. - М.: Просвітництво, 1990р. -215с

Чуянов В.Я., Енциклопедичний словник юного фізика, М.: Педагогіка, 1984р. – 350 с.

1 1 http://www.physics.ru/

2 http://greenfuture.ru

Молекула М 1розташована на поверхні рідини та взаємодіє не тільки з молекулами всередині рідини, а й з молекулами на поверхні рідини, розташованими в межах сфери молекулярної дії. Для молекули М 1рівнодіюча молекулярних сил, спрямованих уздовж поверхні рідини дорівнює нулю, а для молекули М 2 ,розташованої біля краю поверхні, R ≠ 0.

З рис. 21 видно, що сила спрямована нормалі до кордону вільної поверхні рідини і дотичної до самої поверхні.

Молекулярні сили, спрямовані вздовж поверхні рідини, діють на будь-яку замкнуту лінію на вільній поверхні рідини нормалі до цієї лінії таким чином, що прагнуть скоротити площу поверхні рідини, обмежену замкненою лінією.

рис. 21

Наприклад, на дротяному кільці зміцнюється нитка завдовжки l (Рис. 22, а). Якщо затягнути кільце мильною плівкою, то нитка вільно розташується цій плівці, т.к. молекулярні сили прагнутимуть скоротити площу поверхні, обмежену як верхнім замкнутим колом, і нижнім. Прорвемо плівку з нижньої сторони нитки. Тоді молекулярні сили скоротять поверхню, обмежену верхнім контуром, і натягнуть нитку (рис. 22, б).

рис. 22

Сила F Н, обумовлена ​​взаємодією молекул рідини, що викликає скорочення площі її вільної поверхні та спрямована по дотичній до цієї поверхні, називається силою поверхневого натягу.

З'ясуємо, від чого залежить сила F Н. На дроті, вигнутому у вигляді букви «П», зміцнюють рухливу перемичку АВ(Рис. 23). Рамку опускають у мильний розчин. Після виймання рамки з розчину перемичка переміщається вгору з положення 1 у становище 2 під впливом сил поверхневого натягу; l – довжина перемички.

Робота, що здійснюється силами поверхневого натягу при переміщенні перемички з 1 в 2

З іншого боку (86)

рис. 23

Коефіцієнт «2» обох формулах необхідний, т.к. у поверхні плівки дві лінії зіткнення з перемичкою.

тоді (88) -поверхневий натяг дорівнює силі поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини межі вільної поверхні рідини.

Отже, рідина набуває форми, коли він її площу вільної поверхні найменша, т.к. сили молекулярного тиску втягують молекули із поверхні всередину рідини, а сили поверхневого натягу скорочують площу вільної поверхні, т.к. закривають вікна, що утворилися на цій поверхні.

Запитання для самоконтролю:

1. Визначення часу осілого життя. Від чого це час?

2. Перерахуйте властивості рідини.

3. Чому молекули поверхневого шару втягуються усередину рідини?

4. Визначення та причина виникнення молекулярного тиску.

5. Визначення вільної енергії поверхневого шару рідини.

6. Формула роботи молекулярних сил щодо зменшення площі вільної поверхні рідини. Від чого залежить робота молекулярних сил?

7. Визначення, одиниця виміру та формула для розрахунку коефіцієнта поверхневого натягу рідини.

8. Визначення та формула для розрахунку сили поверхневого натягу.

9. Чому воду можна налити в склянку вище її країв?

10. Дерев'яний кружок, що покриває воду легше зняти, піднімаючи його не плашмя, а руба. Чому?

11. На підставі молекулярно-кінетичної теорії будови речовини поясніть здатність рідин набувати сферичної форми в невагомості.

12. Чому буває важко налити рідину в пляшечку з вузьким горлом?

13. Деякі комахи можуть вільно пересуватися поверхнею води, як по твердій поверхні, інші, торкнувшись води або потрапивши під її поверхню, не можуть з неї вибратися і гинуть. Як пояснити ці явища?

Тема: «Змочування та капілярність»

Змочування. Крайовий кут

Якщо опустити скляну паличку в ртуть і потім вийняти її, то ртуті не виявиться. Якщо ж паличку опустити у воду, то після витягування на її кінці залишається крапля води. Цей досвід показує, що молекули ртуті притягуються один до одного сильніше, ніж молекул скла, а молекули води притягуються один до одного слабше, ніж до молекул скла.

Якщо молекули рідини притягуються одна до одної слабкіше, ніж до молекул твердої речовини, то рідинаназивають що змочує цю речовину.Наприклад, вода змочує чисте скло, але змочує парафін.

Якщо молекули рідини притягуються одна до одної сильніше, ніж до молекул твердої речовини, то рідинаназивають не змочує цю речовину.Наприклад, ртуть не змочує скло, проте вона змочує чисті мідь та цинк.

Розташуємо горизонтально плоску пластину з будь-якої твердої речовини і капнемо на неї досліджувану рідину. Тоді крапля розташується або так, як показано на рис. 24, а., або оскільки на рис. 24, б.

У першому випадку рідина змочує тверду речовину, а в другому – ні. Позначений на рис. 24 кут називають крайовим кутом.

Крайовий кут утворюється плоскою поверхнею твердого тіла і площиною, що стосується вільної поверхні рідини, що проходить через точку. А, де межують тверде тіло, рідина та газ; всередині крайового кута завжди знаходиться рідина.

Для змочувальних рідин крайовий кут гострий, а для не змочують – тупий.Щоб дія сили тяжіння не спотворювала крайовий кут, краплю треба брати якнайменше.

рис. 24

рис. 25

Оскільки крайовий кут зберігається при вертикальному положенні твердої поверхні, то рідина, що змочує, біля країв судини, в яку вона налита, піднімається (рис. 25, а), а не змочує рідина опускається (рис. 25, б).

Мірою змочування зазвичай служить косинус крайового кута, тобто. , який позитивний для рідин, що не змочують, і від'ємний для не змочують.

При повному змочуванні

У цьому випадку рідина розтікається на всій поверхні твердого тіла. Отримати на горизонтальній поверхні тіла краплю при повному змочуванні не можна. Наприклад, вода повністю змочує чисту поверхню скла.

При повному не змочуванні. Маленька крапля рідини на горизонтальній поверхні твердого тіла у разі повинна мати форму кулі.

Найбільш характерною властивістю рідини, що відрізняє її від газу, є те, що на кордоні з газом рідина утворює вільну поверхню, наявність якої призводить до виникнення особливого роду, званих поверхневими. Своїм виникненням вони завдячують особливим фізичним умовам, у яких знаходяться молекули поблизу вільної поверхні.

На кожну молекулу рідини діють сили тяжіння з боку навколишніх молекул, розташованих від неї на відстані близько 10 -9 м (радіус молекулярної дії). на молекулу M 1 , розташовану всередині рідини (рис. 1), діють сили з боку таких молекул, і рівнодіюча цих сил близька до нуля.

Для молекул M 2 рівнодіючі сил відмінні від нуля і спрямовані всередину рідини, перпендикулярно її поверхні. Таким чином, усі молекули рідини, що знаходяться в поверхневому шарі, втягуються всередину рідини. Але простір усередині рідини зайнятий іншими молекулами, тому поверхневий шар створює тиск на рідину (молекулярний тиск).

Щоб перемістити молекулу M 3 розташовану безпосередньо під поверхневим шаром, на поверхню, необхідно здійснити роботу проти сил молекулярного тиску. Отже, молекули поверхневого шару рідини мають додаткову потенційну енергію в порівнянні з молекулами всередині рідини. Цю енергію називають поверхневою енергією.

Очевидно, що величина поверхневої енергії тим більша, чим більша площа вільної поверхні. Нехай площа вільної поверхні змінилася на Δ S, при цьому поверхнева енергія змінилася на \(~\Delta W_p = \sigma \cdot \Delta S\), де - коефіцієнт поверхневого натягу. Тому що для цього зміни необхідно здійснити роботу

\(~A = \Delta W_p ,\) то \(~A = \sigma \cdot \Delta S .\)

Звідси \(~\sigma = \dfrac(A)(\Delta S)\) .

Одиницею коефіцієнта поверхневого натягу СІ є джоуль на квадратний метр (Дж/м 2 ).

- величина, чисельно рівна роботі, виконаної молекулярними силами при зміні площі вільної поверхні рідини на 1 м 2 за постійної температури.

Оскільки будь-яка система, надана сама собі, прагне зайняти таке становище, у якому її потенційна енергія найменша, то рідина виявляє прагнення скорочення вільної поверхні. Поверхневий шар рідини поводиться подібно до розтягнутої гумової плівки, тобто. постійно прагне скоротити площу своєї поверхні до мінімальних розмірів, можливих при даному обсязі.

Наприклад, крапля рідини може невагомості має сферичну форму.

Поверхневий натяг

Властивість поверхні рідини скорочуватися можна витлумачити як існування сил, які прагнуть скоротити цю поверхню. Молекула M 1 (рис. 2), що розташована на поверхні рідини, взаємодіє не тільки з молекулами, що знаходяться всередині рідини, але і з молекулами, що знаходяться на поверхні рідини, розташованими в межах сфери молекулярної дії. Для молекули M 1 рівнодіюча \(~\vec R\) молекулярних сил, спрямованих уздовж вільної поверхні рідини, дорівнює нулю, а для молекули M 2 , розташованої біля межі поверхні рідини, \(~\vec R \ne 0\) і \(~\vec R\) направлена ​​по нормалі до кордонів вільної поверхні та по дотичній до самої поверхні рідини.

Рівнодійна сил, що діють на всі молекули, що знаходяться на межі вільної поверхні, є сила поверхневого натягу. Загалом вона діє так, що прагне скоротити поверхню рідини.

Можна припустити, що сила поверхневого натягу \(~\vec F\) прямо пропорційна довжині lмежі поверхневого шару рідини, адже на всіх ділянках поверхневого шару рідини молекули знаходяться в однакових умовах:

\(~F \sim l .\)

Справді, розглянемо вертикальний прямокутний каркас (рис. 3, а, б), рухома сторона якого врівноважена. Після вилучення рамки з розчину мильної плівки рухома частина переміщається з положення 1 у становище 2 . Враховуючи, що плівка є тонким шаром рідини і має дві вільні поверхні, знайдемо роботу, що здійснюється при переміщенні поперечки на відстань h = a 1 ⋅ a 2: A = 2F⋅h, де F- Сила, що діє на каркас з боку кожного поверхневого шару. З іншого боку, (~A = \sigma \cdot \Delta S = \sigma \cdot 2l \cdot h\).

Отже, (~2F \cdot h = \sigma \cdot 2l \cdot h \Rightarrow F = \sigma \cdot l\), звідки \(~\sigma = \dfrac Fl\).

Відповідно до цієї формули одиницею коефіцієнта поверхневого натягу СІ є ньютон на метр (Н/м).

Коефіцієнт поверхневого натягуσ чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини межі вільної поверхні рідини. Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від природи рідини, від температури та наявності домішок. У разі збільшення температури він зменшується.

• При критичній температурі, коли зникає різницю між рідиною та парою, σ = 0.

Домішки переважно зменшують (деякі збільшують) коефіцієнт поверхневого натягу.

Таким чином, поверхневий шар рідини є еластичною розтягнутою плівкою, що охоплює всю рідину і прагне зібрати її в одну «краплю». Така модель (еластична розтягнута плівка) дозволяє визначати напрямок сил поверхневого натягу. Наприклад, якщо плівка під дією зовнішніх сил розтягується, сила поверхневого натягу буде спрямована вздовж поверхні рідини проти розтягування. Однак цей стан суттєво відрізняється від натягу пружної гумової плівки. Пружна плівка розтягується за рахунок збільшення відстані між частинками, при цьому сила натягу зростає, при розтягуванні рідкої плівки відстань між частинками не змінюється, а збільшення поверхні досягається в результаті переходу молекул з товщі рідини в поверхневий шар. Тому зі збільшенням поверхні рідини сила поверхневого натягу не змінюється (вона залежить від площі поверхні).

також

1. Кікоїн А.К. Про сили поверхневого натягу // Квант. – 1983. – № 12. – С. 27-28

Змочування

У разі зіткнення з твердим тілом сили зчеплення молекул рідини з молекулами твердого тіла починають відігравати важливу роль. Поведінка рідини залежатиме від того, що більше: зчеплення між молекулами рідини або зчеплення молекул рідини з молекулами твердого тіла.

Змочування- явище, що виникає внаслідок взаємодії молекул рідини із молекулами твердих тіл. Якщо сили тяжіння між молекулами рідини та твердого тіла більше сил тяжіння між молекулами рідини, то рідину називають змочує; якщо сили тяжіння рідини та твердого тіла менше сил тяжіння між молекулами рідини, то рідину називають незмочуєце тіло.

Одна і та ж рідина може бути змочує і несмачивающей по відношенню до різних тіл. Так, вода змочує скло та не змочує жирну поверхню, ртуть не змочує скло, а змочує мідь.

Змочування або незмочування рідиною стінок судини, в якій вона знаходиться, впливає на форму вільної поверхні рідини в посудині. Якщо велика кількість рідини налито в посудину, то форма її поверхні визначається силою тяжкості, що забезпечує плоску та горизонтальну поверхню. Однак у самих стінок явище змочування та незмочування призводять до викривлення поверхні рідини, так звані крайові ефекти.

Кількісною характеристикою крайових ефектів є крайовий кутθ - кут між площиною дотичної до поверхні рідини та поверхнею твердого тіла. Усередині крайового кута завжди знаходиться рідина (рис. 4, а, б). При змочуванні він буде гострим (рис. 4, а), а при незмочуванні – тупим (рис. 4, б). У шкільному курсі фізики розглядають лише повне змочування (θ = 0º) або повне незмочування (θ = 180º).

Сили, пов'язані з наявністю поверхневого натягу та спрямовані по дотичній до поверхні рідини, у разі опуклої поверхні дають результуючу, спрямовану всередину рідини (рис. 5, а). У разі увігнутої поверхні результуюча сила спрямована, навпаки, у бік газу, що межує з рідиною (рис. 5, б).

Якщо рідина, що змочує, знаходиться на відкритій поверхні твердого тіла (рис. 6, а), то відбувається її розтікання по цій поверхні. Якщо на відкритій поверхні твердого тіла знаходиться несмачивающая рідина, вона приймає форму, близьку до кульовий (рис. 6, б).

Змочування має важливе значення як у побуті, так і в промисловості. Хороше змочування необхідно при фарбуванні, пранні, обробці фотоматеріалів, нанесенні лакофарбових покриттів, при склеюванні матеріалів, при пайці, у флотаційних процесах (збагачення руд цінною породою). І навпаки, при спорудженні гідроізоляційних пристроїв необхідні матеріали, які не змочуються водою.

Капілярні явища

Викривлення поверхні рідини біля країв судини особливо чітко видно у вузьких трубках, де викривляється вся вільна поверхня рідини. У трубках з вузьким перерізом ця поверхня є частиною сфери, її називають меніском. У рідині, що змочує, утворюється увігнутий меніск (рис. 7, а), а у несмачивающей - опуклий (рис. 7, б). Так як площа поверхні меніска більша, ніж площа поперечного перерізу трубки, то під дією молекулярних сил викривлена ​​поверхня рідини прагне випрямитись.

Сили поверхневого натягу створюють додаткове (лапласове)тиск під викривленою поверхнею рідини.

Якщо поверхня рідини увігнута, то сила поверхневого натягу спрямована з рідини (рис. 8, а), і тиск під увігнутою поверхнею рідини менше, ніж під плоскою, на (~p = \dfrac(2 \sigma )(R)\). Якщо поверхня рідини опукла, то сила поверхневого натягу спрямована всередину рідини (рис. 8 б), і тиск під опуклою поверхнею рідини більше, ніж під плоскою, на ту ж величину.

Мал. 8

• Ця формула є окремим випадком формули Лапласа, що визначає надлишковий тиск для довільної поверхні рідини двоякої кривизни:

\(~p = \sigma \cdot \left(\dfrac(1)(R_1) + \dfrac(1)(R_2) \right),\)

де R 1 та R 2 - радіуси кривизни двох будь-яких взаємно перпендикулярних нормальних перерізів поверхні рідини. Радіус кривизни позитивний, якщо центр кривизни відповідного перерізу знаходиться всередині рідини, і негативний, якщо центр кривизни знаходиться поза рідиною. Для циліндричної поверхні ( R 1 = l; R 2 = ∞) надлишковий тиск \(~p = \dfrac(\sigma)(R)\) .

Якщо помістити вузьку трубку ( капіляр) одним кінцем в рідину, налиту в широку посудину, то внаслідок наявності сили лапласова тиску рідина в капілярі піднімається (якщо рідина змочує) або опускається (якщо рідина несмачивающая) (рис. 9, а, б), так як під плоскою поверхнею рідини широкому посуді надлишкового тиску немає.

Явлення зміни висоти рівня рідини у капілярах порівняно з рівнем рідини у широких судинах називаються капілярними явищами.

Рідина у капілярі піднімається або опускається на таку висоту h, коли сила гідростатичного тиску стовпа рідини врівноважується силою надлишкового тиску, тобто.

\(~\dfrac(2 \sigma)(R) = \rho \cdot g \cdot h .\)

Звідки \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R)\). Якщо змочування не повне θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), то, як показують розрахунки, \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R) \cdot \cos \theta\).

Капілярні явища дуже поширені. Підняття води у ґрунті, система кровоносних судин у легенях, коренева система у рослин, гніт та промокальний папір – капілярні системи.

Література

1. Аксенович Л. А. Фізика у середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховання, 2004. – C. 178-184.