Разуменне павярхоўнага нацяжэння
Павярхоўнае нацяжэнне ўзнікае таму, што паверхня вадкасці мае тэндэнцыю зацвярдзеваць, ствараючы тонкую мембранападобную канструкцыю. На гэта ўплываюць сілы згуртавання паміж малекуламі вады. Каб лепш зразумець гэтае тлумачэнне, разгледзім наступную ілюстрацыю. Давайце разгледзім вадкасць у ёмістасці.
Малекулы вадкасці звычайна прыцягваюцца адна да адной. Унутры вадкасці кожная малекула вадкасці акружана іншымі малекуламі з кожнага боку; але на паверхні вадкасці ёсць толькі малекулы вадкасці па баках і знізу. Зверху няма іншых малекул вадкасці. Паколькі малекулы вадкасці прыцягваюцца адна да адной, на малекулы ўнутры вадкасці дзейнічае сумарная сіла, роўная нулю. І наадварот, малекулы вадкасці на паверхні прыцягваюцца малекуламі вадкасці па баках і знізу. У выніку на паверхні вадкасці ўзнікае сумарная сіла, накіраваная ўніз. З-за гэтай сумарнай сілы, накіраванай уніз, вадкасць на паверхні імкнецца паменшыць сваю плошчу паверхні, максімальна сціскаючыся.
З-за гэтага пласт вадкасці на паверхні выглядае так, быццам ён пакрыты тонкай эластычнай мембранай.
Калі заціск акуратна размясціць на паверхні вады, малекулы вады, размешчаныя на паверхні, злёгку прыціскаюцца гравітацыя заціск, каб малекулы вады, размешчаныя ўнізе, стваралі сілу аднаўлення, якая ўзнімалася ўверх, каб падтрымліваць заціск (зноў жа, памятайце пругкасць і закон Гука).
Насамрэч, скрепкі — гэта не адзінае, што можна выкарыстоўваць; гэта таксама могуць быць іншыя прадметы, напрыклад, іголкі. Калі акуратна пакласці іголку на паверхню вады, яна будзе плаваць. Вось чаму насякомыя могуць плаваць на вадзе.
Ураўненне павярхоўнага нацяжэння
Каб дапамагчы нам вывесці ўраўненне павярхоўнага нацяжэння, разгледзім дрот, сагнуты ў форме літары U. Іншы прамы дрот прымацаваны да двух ножак U-вобразнага дроту, дзе прамы дрот можна перамяшчаць.
Калі гэты дрот апусціць у мыльны раствор, то пасля яго вымання на яго паверхні ўтворыцца пласт мыльнай вады. Падобна таму, як вы гуляеце ў мыльныя бурбалкі. Паколькі прамы дрот можна рухаць, і яго маса не занадта вялікая, пласт мыльнай вады будзе ствараць сілу павярхоўнага нацяжэння на прамым дроце, так што прамы дрот можа рухацца ўверх (звярніце ўвагу на кірунак стрэлкі). Каб прамы дрот не рухаўся (дрот знаходзіцца ў раўнавазе), неабходная поўная сіла, накіраваная ўніз, дзе велічыня поўнай сілы роўная F = w + T. У раўнавазе F = сіла, якую пласт мыльнай вады дзейнічае на прамы дрот.
Дапусцім, што даўжыня прамога дроту роўная l. Паколькі пласт мыльнай вады, які дакранаецца да прамога дроту, мае дзве паверхні, сіла, якая ствараецца пластом мыльнай вады, дзейнічае ўздоўж даўжыні 2l. Павярхоўнае нацяжэнне на пласце мыла роўна суадносінам паміж сілай (F) і даўжынёй паверхні, на якую дзейнічае сіла (d). У гэтым выпадку даўжыня паверхні роўная 2l. Матэматычна гэта запісваецца:
Паколькі павярхоўнае нацяжэнне — гэта суадносіны сілы да адзінкі даўжыні, адзінкамі вымярэння з'яўляюцца ньютан на метр (Н/м) або дын на сантыметр (дын/см).
Ніжэй прыведзены некаторыя значэнні павярхоўнага нацяжэння, атрыманыя на аснове эксперыментаў.
Зыходзячы з прыведзеных вышэй дадзеных, відаць, што тэмпература ўплывае на павярхоўнае нацяжэнне вадкасці. Як правіла, з павышэннем тэмпературы гэта значэнне памяншаецца. Гэта адбываецца таму, што з павышэннем тэмпературы малекулы вадкасці рухаюцца хутчэй, што памяншае ўзаемадзеянне паміж імі. Такім чынам, значэнне павярхоўнага нацяжэння таксама памяншаецца.
Прымяненне ў паўсядзённым жыцці
Ці задумваліся вы калі-небудзь, чаму мы сціраем вопратку з мылам? Праблема ў тым, што для таго, каб атрымаць сапраўды чыстую вопратку, вада павінна праходзіць праз вельмі вузкія шчыліны ў валокнах. Гэта патрабуе павелічэння плошчы паверхні вады. Гэтага вельмі цяжка дасягнуць з-за павярхоўнага нацяжэння. Падабаецца вам гэта ці не, але спачатку трэба знізіць павярхоўнае нацяжэнне вады. Мы можам знізіць павярхоўнае нацяжэнне, выкарыстоўваючы гарачую ваду. Чым вышэй тэмпература вады, тым лепш, бо чым вышэй тэмпература вады, тым ніжэй павярхоўнае нацяжэнне (гл. табліцу). Гэта першы варыянт, які рэдка выкарыстоўваецца, за выключэннем тых, хто любіць гуляць з гарачай вадой. Іншы варыянт - выкарыстанне мыла.
Пры тэмпературы 20 oC, значэнне павярхоўнага нацяжэння мыльнай вады складае 25,00 мН/м. Паспрабуйце параўнаць мыльную ваду і гарачую ваду, у якой з іх найменшае значэнне? Пры 100 oC, значэнне павярхоўнага нацяжэння гарачай вады = 58,90. Пры тэмпературы 20 oC, павярхоўнае нацяжэнне мыльнай вады складае 25,00 мН/м. Выкарыстанне мыла больш выгаднае... вада таксама не гарачая. Ёсць і іншыя фактары, якія ўплываюць на тое, наколькі добра наша адзенне або цела можна ачысціць мылам. Такім чынам, вышэйзгаданае — толькі адзін з фактараў.
Чаму мыльныя або вадзяныя бурбалкі круглыя?
Мыльныя бурбалкі, або кроплі вады, маюць сферычную форму з-за павярхоўнага нацяжэння. Спачатку абмяркуем мыльныя бурбалкі. Мыльныя бурбалкі маюць дзве тонкія мембраны на паверхні з тонкім пластом вады паміж імі.
Павярхоўнае нацяжэнне прымушае мембрану сціскацца, што прыводзіць да памяншэння яе плошчы паверхні. Калі мембрана з мыльнай вады сціскаецца і спрабуе паменшыць сваю плошчу паверхні, узнікае розніца ў ціску паветра паміж вонкавым бокам мембраны (атмасферны ціск) і ўнутраным бокам мембраны. Ціск паветра звонку мембраны (атмасферны ціск) таксама штурхае мембрану з мыльнай вады пры яе сцісканні, таму што ціск паветра ўнутры мембраны ніжэйшы.
Пасля скарачэння мембраны паветра ўнутры (паветра, якое знаходзіцца паміж дзвюма мембранамі) таксама сціскаецца, павялічваючы ціск паветра ўнутры мембраны, пакуль скарачэнне не спыніцца. Іншымі словамі, калі скарачэнне спыняецца, ціск паветра паміж мембранамі роўны атмасфернаму ціску + сіле павярхоўнага нацяжэння, якая сціскае мембраны.
Дык як наконт кропель расы ці кропель вады, якія выцякаюць з крана? Гэта па сутнасці адно і тое ж, бо асноўнай прычынай з'яўляецца павярхоўнае нацяжэнне. У той час як мыльная бурбалка мае дзве тонкія мембраны на сваіх дзвюх паверхнях, кропля вады мае толькі адну тонкую мембрану, звонку кроплі. Унутраная частка запоўнена вадой. Знешняя частка кроплі ўцягваецца ўнутр. У выніку вада сціскаецца, імкнучыся паменшыць сваю плошчу паверхні. Знешні атмасферны ціск таксама дапамагае сціскаць кроплю вады. Сцісканне спыняецца, калі ціск унутры вады зраўняецца з атмасферным ціскам плюс сіла, якая сціскае вадзяную мембрану.
