Вы калі-небудзь гулялі ў мыльныя бурбалкі? Мыльныя бурбалкі круглыя. Смешна. Іх можна падзьмуць. Пасля палёту мыльныя бурбалкі лопаюцца. Вось гэта весела, дзіцячая гульня. Чаму мыльныя бурбалкі круглыя?
Калі ласка, прачніся раніцай і звярніце ўвагу на лісце вакол дома. Звярніце ўвагу на кропелькі расы, прымацаваныя да лісця. Гэта дзіўна; кропелькі расы круглыя. Як такое можа быць?
Павярхоўнае нацяжэнне ўзнікае таму, што паверхня вадкасці мае тэндэнцыю сціскацца, так што паверхня выглядае як тонкая мембрана. Гэта адбываецца пад уплывам сілы згуртавання паміж малекуламі вады. Каб лепш зразумець гэтае тлумачэнне, разгледзім наступную ілюстрацыю. Мы разглядаем вадкасць у ёмістасці.
Унутры вадкасці кожная малекула вадкасці акружана іншымі малекуламі з кожнага боку; але на паверхні вадкасці ёсць толькі малекулы вадкасці знізу. Уверсе іншых малекул вадкасці няма. Паколькі малекулы вадкасці прыцягваюцца адна да адной, у малекуле, якая знаходзіцца ўнутры вадкасці, існуе агульная сіла, роўная нулю. Наадварот, малекулы вадкасці, размешчаныя на паверхні, прыцягваюцца часцінкамі вадкасці, якія знаходзяцца знізу. У выніку на паверхні вадкасці існуе агульная сіла, накіраваная ўніз. З-за сумарнай сілы, накіраванай уніз, вадкасць, размешчаная на паверхні, імкнецца паменшыць сваю плошчу паверхні, сціскаючыся як мага мацней.
З-за гэтага паверхневы пласт вадкасці выглядае так, быццам ён пакрыты тонкай эластычнай мембранай. Гэта з'ява вядома як павярхоўнае нацяжэнне.
[ірп]
Калі заціск акуратна размяшчаецца на паверхні вады, малекулы вады, размешчаныя на паверхні, злёгку прыціскаюцца пад дзеяннем сілы цяжару заціску, так што малекулы вады, размешчаныя ўнізе, ствараюць сілу аднаўлення, каб падтрымаць заціск.
Насамрэч, гэта не толькі скрепкі ці скрепкі для паперы, але і іншыя рэчы, такія як іголкі. Калі мы асцярожна размясцім іголку над паверхняй вады, яна будзе плаваць. Павярхоўнае нацяжэнне вадкасці таксама з'яўляецца прычынай таго, што насякомыя могуць плаваць на вадзе.
Раўнанне павярхоўнага нацяжэння
У папярэднім абмеркаванні мы якасна вывучылі паняцце павярхоўнага нацяжэння (матэматычнага ўраўнення няма). Цяпер разгледзім павярхоўнае нацяжэнне колькасна. Каб дапамагчы нам вывесці ўраўненне павярхоўнага нацяжэння, разгледзім дрот, які сагнуты ў літару U. Іншы прамы дрот прымацаваны да двух ножак U-вобразнага дроту, дзе прамы дрот можна перамяшчаць.
Калі гэты дрот уставіць у мыла, то пасля вымання на яго паверхні ўтворыцца пласт мыльнай вады. Гэта як гуляць у мыльныя бурбалкі. Паколькі прамы дрот можна рухаць, а маса не занадта вялікая, пласт мыльнай вады будзе ствараць сілу павярхоўнага нацяжэння на прамым дроце, каб дрот ішоў вертыкальна ўверх. Каб прамы дрот не рухаўся (дрот знаходзіцца ў раўнавазе), неабходная агульная сіла, накіраваная ўніз, дзе велічыня агульнай сілы роўная F = w + T. У раўнавазе F = сіла павярхоўнага нацяжэння, якая перадаецца пластом мыла на прамым дроце.
Дапусцім, што даўжыня прамога дроту роўная l. Паколькі пласт мыльнай вады, які дакранаецца да прамога дроту, мае дзве паверхні, сіла павярхоўнага нацяжэння, якая ствараецца пластом мыльнай вады, дзейнічае ўздоўж 2l. Павярхоўнае нацяжэнне ў пласце мыла — гэта параўнанне паміж сілай павярхоўнага нацяжэння (F) і даўжынёй паверхні, на якой дзейнічае сіла (d). У гэтым выпадку даўжыня паверхні роўная 2l. Матэматычна запісваецца:
Паколькі павярхоўнае нацяжэнне — гэта суадносіны паміж сілай павярхоўнага нацяжэння і даўжынёй, адзінкай вымярэння павярхоўнага нацяжэння з'яўляецца ньютан на метр (Н/м) або дын на сантыметр (дын/см).
Ніжэй прыведзены некаторыя значэнні павярхоўнага нацяжэння, атрыманыя на аснове эксперыментаў.
Зыходзячы з дадзеных павярхоўнага нацяжэння, тэмпература ўплывае на значэнне павярхоўнага нацяжэння вадкасці. Звычайна пры павышэнні тэмпературы значэнне павярхоўнага нацяжэння памяншаецца (параўнайце павярхоўнае нацяжэнне вады пры кожнай тэмпературы. Глядзіце табліцу). Гэта адбываецца таму, што пры павышэнні тэмпературы малекулы вадкасці рухаюцца хутчэй, таму эфект узаемадзеяння паміж малекуламі вадкасці памяншаецца. У выніку значэнне павярхоўнага нацяжэння таксама памяншаецца.
Прымяненне канцэпцый павярхоўнага нацяжэння ў паўсядзённым жыцці
Вы калі-небудзь задаваліся пытаннем, чаму мы павінны сціраць вопратку з мылам? Праблема ў тым, што вопратка, якую мы сціраем, сапраўды чыстая; вада павінна праходзіць праз вельмі вузкую шчыліну ў валокнах адзення. Па гэтай прычыне неабходна павялічыць плошчу паверхні вады. Гэта вельмі цяжка зрабіць з-за павярхоўнага нацяжэння. Непазбежна спачатку трэба знізіць значэнне павярхоўнага нацяжэння. Мы можам знізіць павярхоўнае нацяжэнне, выкарыстоўваючы гарачую ваду. Чым вышэй тэмпература вады, тым лепш, таму што чым вышэй тэмпература вады, тым меншае павярхоўнае нацяжэнне (гл. табліцу). Гэта першы альтэрнатыва, і гэта рэдка выкарыстоўваны метад. Іншы варыянт - выкарыстоўваць мыла.
Пры тэмпературы 20 ° C павярхоўнае нацяжэнне мыльнай вады складае 25.00 мН/м. Паспрабуйце параўнаць мыла і гарачую ваду, якое значэнне павярхоўнага нацяжэння найменшае? Пры тэмпературы 100 ° C павярхоўнае нацяжэнне гарачай вады = 58.90. Пры тэмпературы 20 ° C павярхоўнае нацяжэнне мыла складае 25.00 мН/м. Выгадней выкарыстоўваць мыла. Вышэйзгаданае — толькі адзін з фактараў уплыву.
Чаму мыльная або вадзяная бурбалка круглая?
Бурбалкі мыла або кроплі вады маюць круглую форму, таму што на іх уздзейнічае павярхоўнае нацяжэнне. Спачатку абмяркуем мыльныя бурбалкі. Мыльныя бурбалкі маюць дзве тонкія мембраны на паверхні, а паміж імі знаходзяцца тонкія пласты вады.
Наяўнасць павярхоўнага нацяжэння прымушае мембрану сціскацца і, як правіла, памяншае плошчу яе паверхні. Калі мембрана з мыльнай вады сціскаецца і спрабуе мінімізаваць сваю плошчу паверхні, узнікае розніца паміж ціскам паветра звонку мембраны (атмасферны ціск) і ціскам паветра ўнутры пласта. Ціск паветра звонку пласта (атмасферны ціск) таксама штурхае мембрану з мыльнай вады, калі яна сціскаецца, таму што ціск паветра ўнутры мембраны меншы.
Пасля таго, як мембрана сціскаецца, паветра ўнутры (паветра, якое знаходзіцца паміж дзвюма мембранамі) сціскаецца, павялічваючы ціск паветра ўнутры пласта, пакуль сцісканне не знікне. Іншымі словамі, калі сцісканне больш не спыняецца, ціск паветра паміж мембранамі роўны атмасфернаму ціску + сіле павярхоўнага нацяжэння, якая зморшчвае пласт.
А як жа быць з кроплямі расы або кроплямі вады, якія цякуць з крана? Тое ж самае, бо асноўнай прычынай з'яўляецца павярхоўнае нацяжэнне. Калі мыльныя бурбалкі маюць дзве тонкія мембраны на дзвюх паверхнях, то кроплі вады маюць толькі адзін тонкі пласт, які знаходзіцца звонку кропель вады. Унутраная частка запоўнена вадой. З-за сілы згуртавання ўзнікае павярхоўнае нацяжэнне. Знешняя частка кроплі вады ўцягваецца ўнутр. У выніку вада сціскаецца і імкнецца паменшыць сваю плошчу паверхні. Атмасферны ціск звонку таксама душыць кроплі вады. Сцісканне спыніцца, калі ціск унутры вады будзе роўны атмасфернаму ціску + сіле павярхоўнага нацяжэння, якая сціскае вадзяную мембрану.
