Вы когда-нибудь видели свечу? Надеюсь, вы ею воспользуетесь. Одно интересное явление, которое мы можем наблюдать, когда горит свеча. Нижняя часть фитиля горящей свечи обычно всегда влажная от расплавленного воска (на фитиле). Наличие расплавленного воска на фитиле означает, что свеча может гореть долго. Что заставляет расплавленный воск подниматься вверх к горящему фитилю свечи? Мы можем наблюдать то же явление в факелах.
Многие интересные явления в нашей жизни похожи на те, что происходят в свечах и масляных лампах. Как будто у жидкости есть «ножки», позволяющие ей подниматься вверх. Можете ли вы объяснить это с научной точки зрения? Одна из физических концепций, которая может объяснить явления, происходящие в свечах, масляных лампах и многих других подобных явлениях, — это капиллярность.
Силы сцепления и адгезии
Когезия — это сила притяжения между молекулами одного и того же вещества, тогда как сила притяжения между молекулами разных веществ называется адгезией. Например, если мы наливаем воду в стакан, когезия возникает, когда молекулы воды притягиваются друг к другу, а адгезия — когда молекулы воды и молекулы стекла притягиваются друг к другу.
Угол контакта
Прежде чем углубляться в понятие капиллярности, необходимо сначала понять, как силы сцепления и когезии влияют на капиллярность. Например, рассмотрим жидкость в стакане. Когда силы сцепления молекул жидкости сильнее сил сцепления (сил притяжения между молекулами жидкости и молекулами стекла), поверхность жидкости будет изгибаться вверх. Примером может служить вода в стакане. Обычно говорят, что вода смачивает поверхность стакана. И наоборот, если силы сцепления сильнее, поверхность жидкости будет изгибаться вниз. Например, ртуть в стакане.
Угол, образованный кривой, называется углом смачивания. Когда сила сцепления жидкости превышает силу адгезии, образующийся угол смачивания обычно меньше 90°.o (изображение а). И наоборот, если сила адгезии больше силы сцепления жидкости, то образующийся угол контакта превышает 90°.o (рисунок b). Силы адгезии и когезии теоретически сложно рассчитать, но угол смачивания можно измерить. Какова связь с капиллярностью?
Концепция капиллярности
Если сила сцепления жидкости превышает силу адгезии, поверхность жидкости будет изгибаться вверх. Когда мы вставляем тонкую трубку (трубу меньшего диаметра, чем емкость), образуется более высокий участок жидкости. Другими словами, жидкость в емкости поднимается по столбу трубы. Это происходит потому, что суммарная сила поверхностного натяжения вдоль стенки трубки действует вверх. Максимальная высота, которую может достичь жидкость, достигается тогда, когда сила поверхностного натяжения равна или равна весу жидкости в трубе. Следовательно, жидкость может подняться только до такой высоты, когда сила поверхностного натяжения уравновешивается весом жидкости в трубе.
И наоборот, если сила сцепления превышает силу когезии жидкости, поверхность жидкости будет изгибаться вниз. Когда мы вставляем тонкую трубку или трубу (трубку меньшего диаметра, чем емкость), образуется более низкая часть жидкости (см. изображение ниже).
Этот эффект известен как капиллярное движение, или капиллярность, а эти тонкие трубки называются капиллярными трубками. Стоит отметить, что наши мельчайшие кровеносные сосуды также можно назвать капиллярными трубками, поскольку кровообращение в этих крошечных сосудах также происходит благодаря капиллярному эффекту. Аналогично, явление плавления воска или керосина, поднимающегося по фитилю, также очевидно. Кроме того, считается, что капиллярность играет жизненно важную роль в перемещении воды и питательных веществ от корней к листьям через крошечные сосуды ксилемы. Без капиллярности поверхность почвы мгновенно высохла бы после дождя или полива. Еще одним важным эффектом капиллярности является удержание воды в промежутках между частицами почвы.
Уравнение капиллярности
Как определить высоту подъема воды в капиллярной трубке? Жидкость, кажется, поднимается в столбике. 
Капиллярная трубка радиусом r, действующая на высоту h. Сила, удерживающая жидкость на высоте h, — это составляющая силы поверхностного натяжения в вертикальном направлении: F cos θ.
Верхняя часть капиллярной трубки открыта, поэтому на поверхность жидкости действует атмосферное давление. Длина контактной поверхности между жидкостью и трубкой составляет 2πr (длина окружности). Следовательно, величина вертикальной составляющей силы поверхностного натяжения, действующей вдоль контактной поверхности, равна:
Если пренебречь восходящей кривой поверхности жидкости, то объем жидкости в трубе составит:
Объем жидкости = Площадь поверхности трубы × Высота жидкости
В = Ач
V = (π r2) ч
Если вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения уравновешивается весом столба жидкости в капиллярной трубке, то жидкость не может подняться выше. Другими словами, жидкость достигнет своей максимальной высоты, когда вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения уравновешивается весом жидкости на высоте h. Вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения равна:
F = γ 2 π r cos θ
Между тем, вес жидкости в капиллярной трубке составляет:
w = мг
w = ρ V g
w = ρ ( π r2 ч) г
Когда жидкость достигает максимальной высоты (h), вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения должна быть равна весу жидкости в капиллярной трубке. Математически это записывается так:
Это именно то уравнение, которое нам нужно. Если вы хотите определить высоту столба жидкости, пожалуйста, используйте это уравнение.
