Капілярнасць

Вы калі-небудзь бачылі свечку? Спадзяюся, вы будзеце ёю карыстацца. Адна цікавая з'ява, якую мы можам назіраць, калі свечка гарыць. Ніжняя частка кнота палаючай свечкі звычайна заўсёды вільготная ад расплаўленага воску (на кноце). Прысутнасць расплаўленага воску на кноце азначае, што свечка можа гарэць доўга. Што прымушае расплаўлены воск рухацца ўверх да палаючага кнота свечкі? Мы можам назіраць тую ж з'яву ў паходнях.

Шмат цікавых рэчаў у нашым жыцці падобныя да з'яў, якія адбываюцца ў свечках і алейных лямпах. Быццам бы ў вадкасці ёсць ножкі, якія дазваляюць ёй рухацца ўверх. Ці можаце вы растлумачыць гэта навукова? Адной з фізічных канцэпцый, якая можа растлумачыць з'явы, якія адбываюцца ў свечках, алейных лямпах і многіх іншых падобных з'явах, з'яўляецца капілярнасць.

Сілы згуртавання і адгезіі

Кагезія — гэта сіла прыцягнення паміж малекуламі аднаго і таго ж рэчыва, а сіла прыцягнення паміж малекуламі розных рэчываў называецца адгезіяй. Напрыклад, калі мы наліем ваду ў шклянку, кагезія ўзнікае, калі малекулы вады прыцягваюцца адна да адной, а адгезія ўзнікае, калі малекулы вады і малекулы шкла прыцягваюцца адна да адной.

кут кантакту

Перш чым паглыбіцца ў канцэпцыю капілярнасці, трэба спачатку зразумець, як адгезійныя і кагезійныя сілы ўплываюць на капілярнасць. Напрыклад, разгледзім вадкасць у шклянцы. Калі кагезійныя сілы малекул вадкасці мацнейшыя за адгезійныя сілы (сілы прыцягнення паміж малекуламі вадкасці і малекуламі шкла), паверхня вадкасці выгінаецца ўверх. Прыкладам гэтага з'яўляецца сітуацыя, калі ў шклянцы знаходзіцца вада. Звычайна кажуць, што вада змочвае паверхню шкла. І наадварот, калі адгезійныя сілы мацнейшыя, паверхня вадкасці выгінаецца ўніз. Напрыклад, калі ў шклянцы знаходзіцца ртуць.

Вугал, які ўтварае крывая, называецца вуглом змочвання. Калі сіла кагезіі вадкасці большая за сілу адгезіі, утвораны кут змочвання звычайна меншы за 90°.^o (малюнак а). І наадварот, калі сіла адгезіі большая за сілу згуртавання вадкасці, то ўтвораны кут кантакту большы за 90^o (малюнак b). Сілы адгезіі і кагезіі тэарэтычна цяжка разлічыць, але кут змочвання можна вымераць. Якая сувязь з капілярнасцю?

Паняцце капілярнасці

Калі сіла згуртавання вадкасці большая за сілу адгезіі, паверхня вадкасці выгінецца ўверх. Калі мы ўставім тонкую трубку або трубку (трубу з меншым дыяметрам, чым ёмістасць), утворыцца больш высокі пласт вадкасці. Іншымі словамі, вадкасць у ёмістасці падымаецца праз слуп трубы. Гэта адбываецца таму, што агульная сіла павярхоўнага нацяжэння ўздоўж сценкі трубкі дзейнічае ўверх. Максімальная вышыня, якой можа дасягнуць вадкасць, - гэта калі сіла павярхоўнага нацяжэння роўная або роўная вазе вадкасці ў трубе. Такім чынам, вадкасць можа падняцца толькі на вышыню, дзе сіла павярхоўнага нацяжэння ўраўнаважваецца вагой вадкасці ў трубе.

І наадварот, калі сіла адгезіі большая за сілу кагезіі вадкасці, паверхня вадкасці выгінецца ўніз. Калі мы ўставім тонкую трубку або шланг (трубу з меншым дыяметрам, чым ёмістасць), утворыцца ніжняя частка вадкасці (гл. малюнак ніжэй).

Гэты эфект вядомы як капілярны рух, або капілярнасць, і гэтыя тонкія трубкі называюцца капілярамі. Варта адзначыць, што нашы найменшыя крывяносныя сасуды таксама можна назваць капілярамі, бо кровазварот у гэтых малюсенькіх сасудах таксама абумоўлены капілярным эфектам. Падобным чынам, відавочная і з'ява плаўлення воску або газы, якія ўздымаюцца праз кнот. Акрамя таго, лічыцца, што капілярнасць адыгрывае жыццёва важную ролю ў руху вады і пажыўных рэчываў ад каранёў да лісця праз малюсенькія сасуды ксілемы. Без капілярнасці паверхня глебы высыхала б адразу пасля дажджу або паліву. Яшчэ адзін важны эфект капілярнасці - гэта ўтрыманне вады ў прамежках паміж часцінкамі глебы.

Ураўненне капілярнасці

Як можна вызначыць вышыню пад'ёму вады праз капілярную трубку? Здаецца, што вадкасць падымаецца ў калоне. капілярная трубка з радыусам r на вышыні h. Сіла, якая ўтрымлівае вадкасць на вышыні h, — гэта кампанента сілы паверхневага нацяжэння ў вертыкальным кірунку: Fcos тэта.

Верхняя частка капілярнай трубкі адкрыта, таму на паверхню вадкасці дзейнічае атмасферны ціск. Даўжыня паверхні кантакту паміж вадкасцю і трубкай роўная 2 фі r (доўга акружнасці). Такім чынам, велічыня вертыкальнага кампанента сілы паверхневага нацяжэння, якая дзейнічае ўздоўж паверхні кантакту, роўная:

Калі не ўлічваць узыходзячую крывую паверхні вадкасці, то аб'ём вадкасці ў трубе будзе роўны:

Аб'ём вадкасці = Плошча паверхні трубы х Вышыня вадкасці

V = А·г

V = (πr² ⁾ h

Калі вертыкальная складнік сілы павярхоўнага нацяжэння ўраўнаважваецца вагой слупа вадкасці ў капілярнай трубцы, то вадкасць не можа падняцца далей. Іншымі словамі, вадкасць дасягне сваёй максімальнай вышыні, калі вертыкальная складнік сілы павярхоўнага нацяжэння ўраўнаважваецца вагой вадкасці на вышыні h. Вертыкальная складнік сілы павярхоўнага нацяжэння роўная:

F = γ²πrcosθ

Тым часам вага вадкасці ў капілярнай трубцы складае:

w = мг

w = ρ V g

w = ρ (πr² г) г

Калі вадкасць дасягае сваёй максімальнай вышыні (h), вертыкальная складнік сілы паверхневага нацяжэння павінна быць роўная вазе вадкасці ў капілярнай трубцы. Матэматычна гэта запісваецца як:

Гэта ўраўненне, якое мы шукаем. Калі вы хочаце вызначыць вышыню слупа вадкасці, калі ласка, выкарыстоўвайце гэта ўраўненне.