Главная >> Молекулярная физика. Термодинамика. Физика 10 класс. Мякишев

Глава 7. Поверхностное натяжение в жидкостях

§ 7.1. Поверхностное натяжение

В окружающем нас мире наряду с тяготением, упругостью и трением действует еще одна сила, на которую мы обычно мало или совсем не обращаем внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действие никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, о которых у нас сейчас пойдет речь. Это силы поверхностного натяжения.

Познакомимся с явлениями, вызванными поверхностным натяжением.

Поверхностные эффекты

К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Однако в природе и нашей жизни они играют немалую роль. Без них мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки, пена не образовывалась бы. Слабый дождик промочил бы одежду насквозь, а радугу нельзя было бы видеть ни при какой погоде. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений.

Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у плохо закрытого или неисправного крана. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение — шейка, и капля отрывается (рис. 7.1). Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда его прочность становится недостаточной для удержания большой массы воды. В действительности, конечно, никакого мешочка нет, но сам поверхностный слой воды ведет себя как растянутая эластичная пленка.

Такое же впечатление производит пленка мыльного пузыря. Она походит на тонкую растянутую резину детского шарика. Если вынуть соломинку изо рта, то из пузыря выйдет воздух и пузырь сожмется.

Осторожно положите иглу (или лезвие безопасной бритвы) на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле (лезвию) утонуть (рис. 7.2). По той же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы на льду (рис. 7.3).

Прогиб пленки не позволяет выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно «носить воду в решете». Это показывает, как трудно порой, даже при желании, сказать настоящую бессмыслицу. Ткань — то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение препятствует просачиванию воды сквозь ткань, и поэтому она не промокнет насквозь мгновенно.

Поверхность жидкости стремится к сокращению

Многочисленные наблюдения и опыты показывают, что жидкость принимает такую форму, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшую площадь. В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не притяжение к Земле. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (силами тяготения). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны*. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы и радуги.

* Небольшое отступление от сферичности капель вызвано сопротивлением воздуха.

В космическом корабле, находящемся в состоянии невесомости, шарообразную форму принимают не только отдельные капли, но и жидкости большой массы. Жидкость может приобрести шарообразную форму и в земных условиях, если скомпенсировать каким-либо способом силу тяжести.

Интересный опыт был выполнен бельгийским физиком Ж. Плато. Для проведения этого опыта большую каплю анилина надо ввести в раствор поваренной соли, плотность которого равна плотности анилина. Капля будет находиться в равновесии, так как сила тяжести, действующая на каплю, уравновешивается архимедовой силой. В этом случае капля принимает форму шара (рис. 7.4).

Рассмотрим еще несколько опытов, подтверждающих стремление жидкости уменьшить поверхность соприкосновения с воздухом или паром этой жидкости. Такие же явления наблюдаются на границе двух несмешивающихся жидкостей.

1. На слегка вогнутое часовое стекло нальем очень слабый водный раствор серной кислоты. Затем при помощи пипетки выпустим в раствор струей множество капелек ртути (рис. 7.5, а). Вскоре эти маленькие капли ртути сольются в одну большую каплю (рис. 7.5, б), площадь поверхности которой меньше суммарной площади поверхностей множества мелких капель.

2. К двум точкам проволочного каркаса привяжем нить, длина которой больше диаметра каркаса. Погрузив каркас в раствор мыла, получим мыльную пленку, на которой нить будет лежать в произвольном положении (рис. 7.6, а). Если проколоть пленку с одной стороны нити, то пленка, оставшаяся по другую сторону нити, сокращаясь, натянет нить так, как показано на рисунке 7.6, б.

3. Предыдущий опыт можно видоизменить, положив на пленку, образованную в проволочном каркасе, петлю (рис. 7.7, а). Если прорвать пленку внутри петли, то она примет форму окружности (рис. 7.7, б).

4. Если пленки образуются на проволочных каркасах, имеющих различные геометрические формы (куб, тетраэдр и др.), то для каждого каркаса пленка всегда устанавливается совершенно определенным образом, при котором ее поверхность имеет наименьшую площадь (рис. 7.8, а, б).

Поверхность жидкости обладает загадочным на первый взгляд свойством. Она стремится сократиться так, чтобы площадь ее поверхности стала минимальной.