Данная подборка составлена из постов, которые я публиковал в своем телеграм-канале с физикой. Подборка состоит из классических опытов и демонстраций с кратким описанием.
Причина натяжения пленки заключается в том, что между атомами и молекулами действуют силы притяжения - именно они ответственны за то, что у нас молекулы газа собираются в жидкость, а молекулы жидкости формируются в кристаллическую решетку твердого тела.
Если рассмотреть атом в середине жидкости, то другие атомы тянут его к себе со всех сторон, то есть, суммарная сила будет равна нулю. Однако атомы на границе жидкости притягиваются только нижними атомами, создавая ненулевую силу. Именно эта сила и ответственна за натяжение жидкостей.
В видео показана классическая демонстрация поверхностного натяжения жидкостей. С помощью мыльного раствора создается пленка между двумя металлическими стержнями. Эта пленка стягивает два стержня, будто пружинка.
2. Вода удерживается над стаканом силами поверхностного натяжения
Еще один классический эксперимент, который каждый может повторить дома, на работе, в детском саду, ...
В стакан наливают воду до краев и начинают дозированно увеличивать объем содержимого. Можно использовать пипетку или докидывать в стакан небольшие тела. Вода из стакана не начнет выливаться, а образует небольшую водяную 'шапочку'.
Аналогичный опыт проводят с монеткой.
3. Огромные капли ртути и золота
Мыльный раствор имеет коэффициент поверхностного натяжения 40 мН/м. Мы с вами видели, как мыльная пленка стягивала два металлических стержня.
Вода имеет коэффициент 73 мН/м. Мы с вами видели, как сила натяжения в воде способна удерживать 'шапочку' на стакане.
А вот ртуть имеет коэффициент ажно 470 мН/м! Это приводит к довольно интересной вещи - капельки ртути силами поверхностного натяжения стягиваются так, что представляют собой практически идеальные шарики, если они небольшого размера. С увеличением размера капли сил натяжения больше не хватает, и капля "расползается".
И если ртуть имеет коэффициент поверхностного натяжения 470 мН/м, то расплавленное золото - аж 1102 мН/м!
Поэтому при плавке золото собирается в большой красивый шарик, который даже при больших размерах имеет почти идеальную сферическую форму.
Поверхностное натяжение жидкости является причиной появления капиллярного эффекта.
Если окунуть кончик тонкой трубочки (капилляра) в жидкость, то жидкость начнет подниматься по трубочке на достаточно большую высоту. Затягивает жидкость туда как раз сила натяжения, которую постепенно уравновешивает сила тяжести.
Высота подъема зависит от двух факторов - она увеличивается при увеличении коэффициента поверхностного натяжения данной жидкости и при уменьшении диаметра трубочки.
Предлагаю вашему вниманию три опыта на эту тему.
5. Окрашивание растений за счет капиллярного эффекта
Считается, что благодаря капиллярному эффекту происходит очень важный процесс - питание живых растений водой. Вода поднимается по тонким капиллярам внутри стебля именно благодаря поверхностному натяжению жидкости.
Существует очень простой, понятный и красивый опыт, демонстрирующий капиллярный эффект в растениях. Если поместить белый цветок в подкрашенную воду, то через некоторое время (порядка нескольких часов) он окрасится в соответствующий цвет, поскольку краска вместе с водой будет подниматься по капиллярам.
В видео показан таймлапс этого замечательного опыта.
Крайне рекомендую к повторению! Цветку лучше оставить короткую ножку, поскольку так эффект проявляется быстрее.
6. Смачивание и не смачивание
Есть в физике поверхностного натяжения жидкостей такие понятия как смачивание и не смачивание. Если говорить простыми словами, то степень смачивания определяет то, как жидкость взаимодействует с той или иной поверхностью. В случае полного не смачивания жидкость останется практически идеальной сферой (как мы ранее видели с ртутью и золотом). В случае полного смачивания жидкость полностью растечется по поверхности. Поясняющую картинку прилагаю.
A - полное не смачивание | S - полное смачивание
Если силы межмолекулярного притяжения между молекулами жидкости больше, чем между жидкостью и поверхностью, то мы наблюдаем не смачивание. Так ведет себя ртуть на стекле.
Если силы межмолекулярного притяжения между молекулами жидкости меньше, чем между жидкостью и поверхностью, то мы наблюдаем смачивание. Так ведет себя вода на стекле.
Посмотрим же на смачивание и не смачивание в эксперименте.
Капля воды на парафине (не смачивание).
Капля воды на стекле (смачивание).
Капля ртути (не смачивание).
И есть еще один волшебный опыт от Павла Андреевича. Если закоптить некоторую поверхность, а после капнуть на нее аккуратно водичкой, то капля воды будет вести себя как при полном не смачивании (практически). Очень симпатишно!
7. Смачивание и капиллярный эффект
Давайте посмотрим, как влияет смачивание на капиллярный эффект. Напомню, что чем меньше диаметр капилляра, тем эффект заметнее.
Если в сообщающиеся сосуды разного диаметра вливать воду, то наибольшая высота жидкости будет соответствовать трубке с наименьшим диаметром. Так происходит потому, что вода смачивает поверхность стекла, и капиллярный эффект направлен на подъем жидкости.
А вот если наливать ртуть, которая не смачивает поверхность стекла, то получим ровно обратную картину - высота жидкостного столбика будет наибольшей в трубке с наибольшим диаметром.
Причина такого поведения довольно проста. Молекулы воды сильнее притягиваются к стеклу, чем к друг другу, поэтому капиллярный эффект в них направлен на подъем жидкости. Чем уже капилляр, тем подъем выше.
Молекулы же ртути притягиваются сильнее друг к другу, поэтому они сопротивляются подъему и тем сильнее, чем уже капилляр.
Обратите внимание, что во всех случаях из-за капиллярного эффекта нарушается закон сообщающихся сосудов, согласно которому вне зависимости от формы сосуда жидкость должна находиться на одинаковой высоте.
8. Жидкости с разным поверхностным натяжением
Очень простой и симпатишный опыт.
Если поверхность воды засыпать пыльцой и поднести к пыльце на небольшое расстояние ватку с эфиром, то мы увидим, что пыльца отталкивается от ватки, как будто маленькие магнитики от большого магнита.
Объяснение предлагаю такое. При поднесении ватки эфир образует на поверхности воды тонкую пленку, которая ослабляет натяжение (коэффициент поверхностного натяжения эфира в несколько раз меньше по сравнению с водой). После отклонения палочки с ваткой пленка испаряется, и пыльца возвращается на место.
Поскольку эфир уменьшает коэффициент поверхностного натяжения, то на границе вода-эфир натяжение меньше, чем на границе вода-воздух, и большие силы стягивают пыльцу к краям.
Если капнуть в такую же жидкость с пыльцой мыльной каплей, то капля растечется в некоторую 'лужицу' на поверхности воды, и частицы вынесет за границы этой 'лужицы'. Так происходит из-за того, что вода натянута сильнее, чем мыльный раствор.
И еще одна очень интересная демонстрация - 'лодочка' из проволоки удерживается на поверхности воды силами натяжения. При добавлении пары капель мыльного раствора сила уменьшается, и 'лодочка' тонет.
9. Перетягивание жидкостной пленки на другой контур
Натянутую на контур жидкость довольно легко разорвать, поскольку она ведет себя как тонкая пленка. Ткнул пальцем и всего делов.
Однако если внести внутрь пленки еще один контур (в видео для этого используется нитка), то можно 'перенатянуть' жидкость на него. Выглядит это довольно эффектно.
Надеюсь, было познавательно.
P.S. По всем вопросам - Alexjuriev3142@gmail.com