22
Что пронсходит на границе
В школьном курсе физики не так уж много места отводится является, происходит нам на границе жидкости с другой средой, — поверхностному натяжению, смачиванию, капиллярности. Вместе с тем, с этим является окруженное пятно. Теперь центра этого пятна касаются намыленной палочки или просто кусочком мыла — пятно разрывается и превращается в тонкое колюцо. Снова его центра касаются пером (можно при этом использовать тушь другого цвета), затем в ход идет намыленная палочка и т. д. На поверхности воды возникает орнамент из разноцветных концентрированных колцес (рис. 2). Достаточно осторожно положить сверху промокательную бумагу, и красные узоры перейдет на нее.
Этот опыт нашел практическое применение. С его помощью в Японии изготовляют бумагу с самых разнообразными узорами.
Описанные эксперименты легко понять, если поверхность жидкости считать натянутой палкой. Впервые такой модель предложил известный английский физик Томас Юнг. В декабре 1804 года Юнг написал работу, в котором с помощью аналоги «поверхность жидкости — упругая пленка» объяснялось поведение жидкости в капиллярах. Вскоре модель, подтвержденная новыми наблюдениями, получила всеобщие признание.
Итак, поверхность чистой воды — натянутая пленка, а мыльная или подкрашенная вода — такая же пленка, но менее упругая. В результате воды плана перегrizает мыльную или подкрашенную, увлекая за собой «ракету» или окруженное тушью колюцо.
Существует много способов экспериментального определения степени «упругости» поверхностной пленки — так называемого коэффициентом
23
та поверхностного натяжения σ.
Один из наиболее простых — с помощью отрывающихся капель. Если взять пипетку с оттянутым носиком и, наполивев ее водой, осторожно и медленно начать выдавливать каплю, то можно наблюдать, как она постепенно увеличитается, изменяет свою форму и, наконец, отрывается от пипетки (рис. 3).
Заметьте, что капля отрывается только тогда, когда достигает определенных размеров. Пока капля недостаточно велика, поверхностное натяжение удерживает ее на кончике пипетки. Очевидно, что в момент отрыва сilia тяжесте mg капли становится равной по модулю силе поверхностного натяжения F: mg=F. Или (см., например, § 28 учебника «Физика 9», М., «Просвещение», 1982)
где r — радиус шейки, образующейся у капли перед отрывом.
Отсчитав, скажем, 100 капель и найдя с помощью весов их суммарную массу M=100 m, можно определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости:
Но, к сожалению, очень неточно.
Во-первых, нелегко изменить радиус шейки (чаsto для этого отрывающегося каплю в увеличенном виде проектируют на экран и там уже производят измерения). Во-вторых, отрыв капли оказывается более сложным процессом, чем просто разрыв шейки (в частности, одновременно с основной каплей образуется еще одна, маленькая капелька). Есть и еще несколько источников ошибок в этом эксперименте. Однако, если мы хотим определить лишь порядок величины σ или качественно сравнить поверхностное натяжение, скажем, чистой воды и мыльного раствора, волне допустимо воспользоваться пипеткой, а радиус шейки при этом считать равным внутреннему радиусу носика пипетки (измерить последний можно, например, с помощью проволочки извесной толщины, плотно входящей в пипетку).
Для справок приведем значения σ в единицах СИ для некоторых
Рябы на поверхности воды и как ее погасить
Оказывается, благодаря силам поверхностного натяжения возникают так называемые капиллярные волны (то есть рябь на воде). Наблюдаются их можно при помощи той же пипетки. Наполните таррелку водой и, держа пипетку на небольшим расстоянии от ее поверхности, капайте воду — быстро разбегающее концентрическое волны и будут волнами поверхностного натяжения. (Вобщеме механизм образования и распространения волн на воде — веще не простая. Здесь участвует и сilia тяжесте, и поверхностные явления. Но для объяснения проискождения мелкой ряби в полне можно использовать модель упругой пленки.)
О волнах на поверхности воды в «Кваните», в том числе и в Лаборатории «Кваните», рассказывалось не раз. Советует вам прочитать, например, такие статьи: С. Соскин, «Капиллярные волны в струне» («Квант», 1976, № 10); Е. Кузнецов, А. Рубенчик, «О волнах на море и ряби на лужах» («Квант», 1980, № 9).
Существует легенда о том, что в древности ловцы жемчuga, добавившие его со дня Эгейского моря, перед тем как нырнуть, набирали в противного оливкового масла. Поэтому, уже находясь на дне, они выпускали масло, которое поднималось на поверхность и образовало спокойное «окно», уничтожая рябь на поверхности. Проникающий черз
24
«окно» свет позволялLOBцам лучше ориентироваться на дне моря.
Вот еще одно интересное наблюдение. «Вштилевую погоду на способной поверхности моряясно видны своеобразные узоры, напоминающие муар… Приглядевшись, легко заметить, что в пределах более яркого цветного фона возникает рябь и что светлее пятна и полосы на этом фоне соответствует участкам поверхности моря, на которых эта рябь погашена», — писал известный советский геофизик академик В. В. Шулейкин. Под его руководством были проведены опыты по измерению коэффициента поверхного натяжения морской воды методом отрыва конуса (см., например, лабораторную работу № 2 в «Физике 9»). Они показали, что там, где существует рябь, коэффициент такой же, как у чистой воды, а в области светлых пятен — существенно меньше. Отсюда был сделан вывод, что рябь на поверхности моря гасится плenkами жира или каких-то других веществ. Правда, обьяснить это оказалось делом не простым.
Как показали исследования, поверхность пленки газят, в основном, небольшие волны, но они могут также преятствовать появлению пены на гребнях волн во время шторма. И эта сравнительно скромная «помощь» может сыграть свою роль: «для практики важно погасить лишь пенистые гребни, представляющие иногда серbezную опасность для корабля или тем более для спускаемой шлюпки» (В. В. Шулейкин).
Какую форму имеет капля?
Ответ на этот вопрос зависит от целого ряда обстоятельств. Если бы все определялось только силими поверхного натяжения, капля всегда принимала бы такую форму, при которой ее поверхность минимальная, то есть форму шара. В условиях земного тяготения под действием силы тяжестки капли чаще всего получаются сплюснутыми, лишь очень маленькие капель остатся сферическими. А нельзя ли исключать силу тяжестки,скомпенсировать ее какой-нибуд еще силой?
В 1843 году белгийский физик Плато поставил опыт, который вскоре получил его имя и вошел во все учебники физики. Плато подобрал концентрацию растora спирта в воде таким образом, что плотность растora оказалась равной плотности olivкового масла, и ввел в расторка каплю масла. В этом случае архимедова сила выталкивания уравновешивает силу тяжестки капли, а поверхность натяжение обусловлена ее сферическую форму.
Интересно, что в состоянии невесомости можно получить большие капли-шары различных жидкости. Такие капли наблюдаются, например, во время опытов по электросварке в космосе. Состояли они из расплавленного металла.
В домашних условиях можно повторить опыт Плато, использую касторовое масло и воды. Плотность масла чутчучт меньше плотности воды, поэтому если капать в него чистую воду, то медленно опускаются водыные капли будут иметь практические шаровую форму. Капли легко окрасить в разные цвета акварельными красками, и тогда в стакане с маслом возникает картина, напоминающая высшие разноветные шары (см. 1 с. обложки).
Более трудный, но и более эффективный опыт получается с жидкой эпоксидной смолой и растором соли. Насыпав на доно банки соль, можно получить растор с убывающей по высоте концентрацией, а следовательно, и плотностью. В таком расторе капля смолы будет высеть на определенной высоте. Результококарки капли предоставляем вышебрать самим читателем.
След от высокшей капли
Одно из загадочных на первый взгляд является связанные со смачиванием, возникает при высыхании капли какого-либо растора. Сделаем такой несложный опыт — помещим на стеклянную пластинку капли растора соли (не очень концентрированного) и дадим им высокнуть. Естественно, на месте капель образуют светлее пятнышки соли. Так вот, загадочно то, что соль