Մակերեւութային լարվածություն

Դուք երբևէ խաղացե՞լ եք օճառապղպջակներ։ Օճառապղպջակ կլոր։ Զվարճալի է։ Կարող է փչվել։ Թռչելուց հետո օճառապղպջակները պայթում են։ Վա՜յ, զվարճալի է, մանկական խաղ։ Ինչո՞ւ է օճառապղպջակը կլոր։

Խնդրում եմ, առավոտյան արթնացեք, ապա ուշադրություն դարձրեք տան շուրջը գտնվող տերևներին։ Ուշադրություն դարձրեք տերևներին կպած ցողի կաթիլներին։ Տարօրինակ է. ցողի կաթիլները կլոր են։ Ինչպե՞ս կարող է այդպես լինել։

Մակերեսային լարվածությունն առաջանում է, քանի որ հեղուկի մակերեսը հակված է ձգվելու, այնպես որ մակերեսը նմանվում է բարակ թաղանթի։ Սա պայմանավորված է ջրի մոլեկուլների միջև կպչունության ուժով։ Այս բացատրությունն ավելի լավ հասկանալու համար դիտարկենք հետևյալ նկարազարդումը։ Մենք վերանայում ենք հեղուկը տարայի մեջ։

Հեղուկի ներսում յուրաքանչյուր հեղուկի մոլեկուլ շրջապատված է մյուս մոլեկուլներով երկու կողմերում, սակայն հեղուկի մակերեսին ներքևում կան միայն հեղուկի մոլեկուլներ։ Վերևում այլ հեղուկի մոլեկուլներ չկան։ Քանի որ հեղուկի մոլեկուլները ձգում են միմյանց, հեղուկի ներսում գտնվող մոլեկուլում կա զրոյական ընդհանուր ուժ։ Ի տարբերություն դրա, մակերեսին գտնվող հեղուկի մոլեկուլները ձգվում են ներքևում գտնվող հեղուկի մասնիկների կողմից։ Արդյունքում, հեղուկի մակերեսին կա ներքև ուղղված ընդհանուր ուժ։ Ներքև ուղղված զուտ ուժի պատճառով մակերեսին գտնվող հեղուկը հակված է նվազեցնել իր մակերեսը՝ հնարավորինս ուժեղ կծկվելով։

Սա հանգեցնում է նրան, որ մակերեսի վրա գտնվող հեղուկ շերտը այնպիսի տեսք է ստանում, կարծես այն ծածկված է բարակ առաձգական թաղանթով։ Այս երևույթը հայտնի է որպես մակերեսային լարվածություն։

Երբ սեղմակը զգուշորեն տեղադրվում է ջրի մակերեսին, մակերեսին գտնվող ջրի մոլեկուլները փոքր-ինչ սեղմվում են սեղմակի ձգողականության ուժով, այնպես որ ներքևում գտնվող ջրի մոլեկուլները վերականգնողական ուժ են հաղորդում՝ սեղմակը պահելու համար։

Իրականում դա միայն սեղմակներ կամ թղթե սեղմակներ չեն, այլ նաև այլ բաներ, ինչպիսիք են ասեղները: Եթե մենք զգուշորեն ասեղը դնենք ջրի մակերեսից վերև, այն կլողա: Հեղուկի մակերեսային լարվածությունն է նաև պատճառը, որ միջատները կարող են լողալ ջրի վրա:

Մակերեսային լարվածության հավասարումը

Նախորդ քննարկման մեջ մենք որակապես ուսումնասիրել ենք մակերեսային լարվածության հասկացությունը (մաթեմատիկական հավասարում չկա): Այժմ քանակապես կանդրադառնանք մակերեսային լարվածությանը: Մակերեսային լարվածության հավասարումը ստանալու համար մենք կանդրադառնանք U տառը կազմող ծռված մետաղալարին: U ձևի մետաղալարի երկու ոտքերին ամրացված է մեկ այլ ուղիղ մետաղալար, որտեղ ուղիղ մետաղալարը կարող է տեղաշարժվել:

Եթե ​​այս մետաղալարը մտցվի օճառի մեջ, ապա այն հանելուց հետո մետաղալարի մակերեսին կառաջանա օճառաջրի շերտ։ Դա նման է օճառի փուչիկներ խաղալուն։ Քանի որ ուղիղ մետաղալարը կարող է տեղաշարժվել, և զանգվածը չափազանց մեծ չէ, օճառաջրի շերտը մակերեսային լարվածության ուժ կհաղորդի ուղիղ մետաղալարին, որպեսզի մետաղալարը ուղիղ վերև գնա։ Ուղիղ մետաղալարը չշարժվելու համար (մետաղալարը հավասարակշռության մեջ է), անհրաժեշտ է ընդհանուր ներքևի ուժ, որտեղ ընդհանուր ուժի մեծությունը F = w + T է։ Հավասարակշռության դեպքում F = մակերեսային լարվածության ուժը, որը կրում է օճառի շերտը ուղիղ մետաղալարի վրա։

Ենթադրենք, որ ուղիղ մետաղալարի երկարությունը l է։ Քանի որ ուղիղ մետաղալարին դիպչող օճառաջրի շերտն ունի երկու մակերես, օճառաջրի շերտի կողմից առաջացած մակերեսային լարվածության ուժը գործում է 2l երկարությամբ։ Օճառային շերտի մակերեսային լարվածությունը համեմատություն է Մակերևութային լարվածության ուժի (F) և այն մակերեսի երկարության միջև, որի վրա այդ ուժը գործում է (d)։ Այս դեպքում մակերեսի երկարությունը 2l է։ Մաթեմատիկորեն գրված է՝

Քանի որ մակերեսային լարվածությունը մակերեսային լարվածության ուժի և երկարության հարաբերակցությունն է, մակերեսային լարվածության միավորը Նյուտոնն է մեկ մետրի համար (Ն/մ) կամ դինը մեկ սանտիմետրի համար (դին/սմ):

Ստորև բերված են փորձերի հիման վրա ստացված մակերևութային լարվածության որոշ արժեքներ։

Մակերեսային լարվածության տվյալների հիման վրա, ջերմաստիճանը ազդում է հեղուկի մակերեսային լարվածության արժեքի վրա: Սովորաբար, երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, մակերեսային լարվածության արժեքը նվազում է (Համեմատեք ջրի մակերեսային լարվածությունը յուրաքանչյուր ջերմաստիճանում: Տես աղյուսակը): Դա պայմանավորված է նրանով, որ երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, հեղուկի մոլեկուլները ավելի արագ են շարժվում, ուստի հեղուկի մոլեկուլների միջև փոխազդեցության ազդեցությունը նվազում է: Արդյունքում մակերեսային լարվածության արժեքը նույնպես նվազում է:

Մակերեսային լարվածության հասկացությունների կիրառումը առօրյա կյանքում

Երբևէ հարցրե՞լ եք՝ ինչո՞ւ պետք է հագուստը լվանանք օճառով։ Խնդիրն այն է, որ մեր լվացած հագուստը իսկապես մաքուր է. ջուրը պետք է անցնի հագուստի մանրաթելերի շատ նեղ ճեղքով։ Այդ պատճառով անհրաժեշտ է մեծացնել ջրի մակերեսը։ Դե, դա շատ դժվար է անել մակերեսային լարվածության պատճառով։ Անխուսափելիորեն նախ պետք է իջեցնել մակերեսային լարվածության արժեքը։ Մենք կարող ենք նվազեցնել մակերեսային լարվածությունը՝ օգտագործելով տաք ջուր։ Որքան բարձր է ջրի ջերմաստիճանը, այնքան լավ, քանի որ որքան բարձր է ջրի ջերմաստիճանը, այնքան փոքր է մակերեսային լարվածությունը (տե՛ս աղյուսակը)։ Սա առաջին այլընտրանքն է և հազվադեպ օգտագործվող մեթոդ է։ Մեկ այլ տարբերակ է օճառի օգտագործումը։

20 ջերմաստիճանում ^oC ջերմաստիճանում օճառաջրի մակերեսային լարվածության արժեքը 25.00 մՆ/մ է։ Փորձեք համեմատել օճառի և տաք ջրի միջև, որն է ամենափոքր մակերեսային լարվածության արժեքը։ 100-ի դեպքում։ ^oC, տաք ջրի մակերեսային լարվածության արժեքը = 58.90: 20 ջերմաստիճանում ^oC-ում օճառի մակերեսային լարվածության արժեքը 25.00 մՆ/մ է։ Ավելի շահավետ է օճառ օգտագործելը։ Վերևում բացատրվածը ազդող գործոններից միայն մեկն է։

Ինչո՞ւ է օճառի կամ ջրի պղպջակը կլոր։

Օճառի փուչիկները կամ ջրի կաթիլները կլոր են, քանի որ դրանց վրա ազդում է մակերեսային լարվածությունը։ Նախ, մենք կքննարկենք օճառի փուչիկները։ Օճառի փուչիկները մակերեսին ունեն երկու բարակ թաղանթ, և դրանց միջև կան ջրի բարակ շերտեր։

Մակերեսային լարվածության առկայությունը հանգեցնում է թաղանթի կծկմանը և հակված է նվազեցնել դրա մակերեսը։ Երբ օճառաջրային թաղանթը կծկվում է և փորձում է նվազագույնի հասցնել իր մակերեսը, թաղանթի արտաքին մասում (մթնոլորտային ճնշում) և շերտի ներքին մասում օդային ճնշման միջև տարբերություն կա։ Շերտից դուրս գտնվող օդային ճնշումը (մթնոլորտային ճնշում) նույնպես մղում է օճառաջրային թաղանթը, երբ այն կծկվում է, քանի որ թաղանթի ներքին մասում օդային ճնշումն ավելի փոքր է։

Թաղանթի կծկումից հետո ներսում գտնվող օդը (երկու թաղանթների միջև ընկած օդը) ճնշվում է, ինչը մեծացնում է շերտի ներսում օդային ճնշումը մինչև կծկումը դադարի։ Այլ կերպ ասած, երբ կծկումը այլևս չկա, թաղանթների միջև օդային ճնշման քանակը նույնն է, ինչ մթնոլորտային ճնշումը + շերտը կնճռոտող մակերեսային լարվածության ուժը։

Ապա ի՞նչ կասեք ծորակից դուրս եկող ցողի կամ ջրի կաթիլների մասին։ Նույնը, քանի որ հիմնական պատճառը մակերեսային լարվածությունն է։ Եթե օճառի պղպջակները երկու մակերեսների վրա ունեն երկու բարակ թաղանթ, ապա ջրի կաթիլներն ունեն միայն մեկ բարակ շերտ, որը գտնվում է ջրային կաթիլների արտաքին մասում։ Ներքին մասը լի է ջրով։ Կպչունության ուժի պատճառով առաջանում է մակերեսային լարվածություն։ Ջրի կաթիլի արտաքին մասը ձգվում է ներս։ Արդյունքում ջուրը կծկվում է և հակված է նվազեցնել իր մակերեսը։ Արտաքին մթնոլորտային ճնշումը նույնպես ճնշում է ջրային կաթիլներին։ Կծկումը կդադարի, երբ ջրի ներքին ճնշումը հավասար լինի մթնոլորտային ճնշմանը + ջրային թաղանթը սեղմող մակերեսային լարվածության ուժին։