Роль  сил поверхностного натяжения в физике

Оглавление  

1. Введение
2. Природа поверхностного натяжения в жидкости
1. Поверхностная энергия
2. Правило «вовремя удивляться»
3. Мыльные пленки
4. Смачивание
5. Капиллярные явления
3. Роль поверхностного натяжения в жизни
4. Заключение

Список источников 

Приложение 1

Приложение 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Для изучения физического явления не обязательно  пользоваться дорогими и сложными приборами. Физика скрывается не только в блестящих  приборах, но и в самой жизни, всюду  вокруг нас. Надо только уметь увидеть  её.

Сама природа  насыщена физическими задачами всех степеней сложности. Человек, сведущий в физических понятиях и законах, может легко найти проявления тех везде, куда посмотрит. Надо «всего лишь» научиться смотреть и видеть, слушать и слышать, читать и понимать!

     Такие силы, как тяготение, упругость и  трение, бросаются в глаза; мы ощущаем  их непосредственно каждый день. Но в окружающем нас мире повседневных явлений действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем никакого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогда не вызывают мощных 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.

     Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкостей в природе  и технике. Оно собирает воду в  капли, благодаря ему мы можем выдуть мыльный пузырь и писать ручкой. Поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма. Его используют в космической технике. Почему же поверхность жидкости ведет себя подобно растянутой упругой пленке?

     Разобраться в этом и является целью этой работы.

     Для наиболее полного исследования было изучено достаточно большое количество источников, в том числе и ресурсов сети Интернет. В процессе работы проводились  опыты, демонстрирующие действие сил  поверхностного натяжения жидкостей. Некоторые опыты были сняты на видео, обработаны с помощью компьютерной программы Windows Movie Maker и продемонстрированы одноклассникам. В процессе исследования неоднократно делались сообщения по наиболее интересным моментам для одноклассников и учеников параллельных классов.

     Таким образом, результатами работы стало:

1. Изучение природы поверхностного натяжения жидкостей;
2. Выявление роли поверхностного натяжения в природе и в жизни человека;
3. Подборка интересных опытов, демонстрирующих действие сил поверхностного  натяжения жидкостей (Приложение 1);
4. Создание интерактивного теста на знание темы «Поверхностное натяжение» в виде Web-странички (Приложение 2);
5. Привлечение интереса одноклассников и учеников параллельных классов к изучению физики.

     Природа поверхностного натяжения  в жидкости 

     Все вещества состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами.  
Если молекулы находятся близко друг к другу, они притягиваются. В твердом веществе притяжение настолько велико, что молекулы «сцеплены» все вместе и нужна изрядная сила, чтобы оторвать их друг от друга и таким образом отделить кусок вещества.

     В жидкости притяжение не так велико, но оно существует и вполне ощутимо. В этом легко убедиться, опустив  в воду карандаш, а затем вынув  его. На кончике карандаша окажется капля воды, которая как бы прилипла к дереву и ведет себя вопреки закону тяготения. Кажется, будто неведомая сила притягивает каплю к карандашу.

     Поднесем  карандаш к листку вощеной бумаги и стряхнем каплю на листок. Обратите внимание на то, какую точную окружность образует на вощенке наружная граница капли. Интересно также, что в центре капли вода чуть приподнимается над бумагой этаким маленьким горбиком.  
Совершенно очевидно, что внутри водяной капли существует какая-то сила притяжения, стягивающая все молекулы капли в единое целое. Сила, с которой молекулы притягиваются друг к другу, и придает капле округлую форму, ибо сила эта стягивает все молекулы на внешней поверхности как можно ближе к центру капли. Эта сила называется поверхностным натяжением. Она заставляет расположенные на поверхности жидкости молекулы плотнее прижиматься к внутренним молекулам. Таким образом, поверхность действует как пленка, которая стягивает всю массу капли в одно целое.

     Скрепка держится на поверхности воды вовсе  не с помощью выталкивающей силы, как держится, например, спасательный круг. Она не идет на дно только потому, что вес ее не позволяет ей прорваться сквозь поверхностную пленку, созданную  притяжением между молекулами воды.

     Пузырьки  в жидкости образуются тоже благодаря  поверхностному натяжению. Чтобы понять, как это получается, попробуем сами образовать пузырьки, пустив сильную струю из крана прямо в воду в ванне. Там, где вода вспенивается, возникают пузырьки. Однако они очень недолговечны и тут же лопаются. Стоит закрыть кран — и уже через несколько секунд пузырьки исчезают.

     Когда вода льется из крана, она смешивается  с воздухом и часть его уносит с собой. Потом она смешивается  с водой, уже налитой в ванну, неся с собой воздушные пузырьки-глобулы. Эти глобулы тотчас оказываются  под поверхностью воды, а падающая сверху струя отталкивает их во все  стороны. Постепенно пузырьки поднимаются  к поверхности неподалеку от того места, где падает струя.  
Поднимаясь, каждый из них натягивает поверхностную пленку, но не может ее разорвать из-за поверхностного натяжения. Вот так и образуются воздушные глобулы, покрытые тонкой пленкой молекул воды. 
 

Поверхностная энергия 

     Первый  взгляд  на воду, налитую в стакан, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в  который она налита. Поверхность  жидкости не зависит от формы сосуда; она представляет собой гладкую, как зеркало, плоскость. Впрочем, это  не совсем так. Форма поверхности  жидкости есть форма, концентричная  поверхности земного шара. Правда, чтобы подметить это, надо было бы иметь «стакан» слишком больших размеров. В обычных чашках поверхность налитой жидкости можно принимать за горизонтальную плоскость. Однако и здесь требуется поправка. Приглядитесь внимательнее, и вы заметите, что у краев поверхность жидкости приподнята и образует вогнутую форму. Это – следствие поверхностного натяжения, причину которого мы скоро выясним.

Итак, наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности.  Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

  Любое реальное тело обладает поверхностью, которая  отделяет его от других тел. Это может  быть граница раздела двух несмешивающихся  жидкостей, стенки сосуда, поверхности  соприкосновения твердых тел  и т.п. Свободная поверхность жидкости или твердого тела является, по сути дела, границей раздела их с газообразной средой, в частности с парами или  воздухом. Поэтому следует говорить не просто о поверхностях тел, а о  поверхностях раздела двух сред или  фаз. Наличие таких поверхностей приводит к возникновению явлений  особого рода, называемых обычно поверхностными или капиллярными явлениями. Своим возникновением они обязаны особым физическим условиям, в которых находятся молекулы вблизи поверхностей раздела.

    Молекулы, расположенные в тонком слое жидкости вблизи поверхности, находятся  в особых условиях. Она имеют одинаковых с ними соседей только с одной  стороны поверхности, в отличие  от молекул внутри жидкости, окруженных со всех сторон такими же молекулами. Поэтому  результирующая сила, действующая на молекулу в поверхностном слое, отлична  от нуля. При перемещении молекулы с поверхности в объем жидкости совершается положительная работа. Это означает, что молекулы в поверхностном  слое обладают избыточной потенциальной  энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Разумеется, молекулы жидкости находятся в непрерывном тепловом движении – одни молекулы уходят с поверхности, другие, наоборот, попадают на нее. Но можно говорить о средней добавочной энергии поверхностного слоя жидкости – о поверхностной энергии, пропорциональной площади поверхности жидкости.

  Для извлечения молекул из внутренних частей жидкости на ее поверхность требуется совершить  работу. При этом размещение молекулы в поверхностном слое увеличивает  поверхность жидкости на конечную величину. Работа А, затрачиваемая в таком процессе пропорциональна DS и записывается в виде:

  А = sDS.

Коэффициент пропорциональности s представляет собой основную характеристику поверхности раздела, зависящую от природы сред и их теплового состояния. Называют его коэффициентом поверхностного натяжения.

Таким образом, коэффициент  поверхностного натяжения  равен работе, необходимой  для увеличения площади  поверхности жидкости при постоянной температуре  на единицу.

В СИ коэффициент  поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м²) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м²).

  Говоря  о величине s, необходимо всегда указывать, к каким средам она относится. Работа служит мерой изменения энергии, в данном случае потенциальной, поскольку связана со взаимным расположением взаимодействующих молекул.   

     Коэффициенты  поверхностного натяжения некоторых  жидкостей:

  Из механики известно, что силы действуют так, чтобы привести систему в состояние  с наименьшей потенциальной энергией. И силы поверхностного натяжения  действуют так, чтобы энергия  поверхностного натяжения принимала  наименьшее возможное значение. Поэтому  поверхность раздела сред стремится  уменьшиться. «Стремление» поверхности жидкости сокращаться до возможного минимума, можно наблюдать на многих явлениях. Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму? Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не вполне точным. Собственная форма жидкости – шар. Из всех других геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Шар – наиболее емкая форма.