§ 45. Властивості рідин. Поверхневий натяг рідини

Вивчаючи фізику, ви ознайомилися з багатьма силами, які існують у природі. Але пригадайте випадок, коли з водопровідного крана через певний час падає крапля за краплею в раковину, викликаючи неприємні відчуття. Що ж утримує певний час краплину?

Спробуємо поспостерігати за утворенням краплі біля погано закритого крана. Придивіться уважно, як поступово збільшується крапля, утворюється звуження - шийка, і крапля відривається (мал. 113). Ніби вода вміщена в еластичну торбинку, яка розривається, коли її міцність стає недостатньою для утримання великої маси води. Насправді, нічого, крім води, у краплі немає, але поверхневий шар води нагадує розтягнуту еластичну плівку. Аналогічно плівка мильної бульбашки нагадує тонку гуму дитячої кульки (мал. 114).

Мал. 113. Відривання краплини

Мал. 114. Мильні бульбашки

Якщо обережно покласти швацьку голку на поверхню води, то поверхнева плівка вгнеться і не дасть голці потонути (мал. 115). З тієї самої причини легкі комахи - водомірки - можуть швидко ковзати по поверхні води, як ковзанярі по льоду (мал. 116).

Мал. 115. Голка на поверхні води

Мал. 116. Водомірка на поверхні води

Угнута плівка не дає вилитися воді, обережно налитій у густе сито. Тканина - це своєрідне сито, утворене переплетенням ниток. Поверхневий натяг утруднює просочування води крізь тканину, і тому вона відразу не промокає. Намагаючись скоротитися, поверхнева плівка надавала б рідині сферичної форми, якби не притягання до Землі. Що менша крапелька, то більшу роль відіграють поверхневі сили порівняно із силою тяжіння. Тому маленькі крапельки роси (мал. 117) схожі за формою до кулі. Під час вільного падіння виникає стан невагомості, тому дощові краплі майже кулясті.

Мал. 117. Крапельки роси

У космічному кораблі, який перебуває у стані невагомості, кулястої форми набувають не тільки окремі краплі, а й великі маси рідини.

Сили поверхневого натягу виникають, тому що молекули води чи іншої рідини, які притягаються одна до одної, намагаються зблизитися. Кожна молекула на поверхні притягується рештою молекул, які містяться всередині рідини, і тому має тенденцію занурюватися вглиб. Оскільки рідина текуча внаслідок перестрибувань молекул з одного місця в інше, то вона набуває форми, при якій кількість молекул на поверхні мінімальна. А мінімальну площу поверхні заданого об’єму має куля. Площа поверхні скорочується, і це сприймається як поверхневий натяг.

Виявляється, що походження поверхневих сил зовсім не таке, як пружних сил розтягнутої гумової плівки. Коли скорочується гума, пружна сила ослаблюється, а сили поверхневого натягу зовсім не змінюються зі скороченням поверхні плівки, тому що густина рідини, а отже, і середня відстань між молекулами на поверхні, не змінюється.

Дослід. Візьмемо дротяне кільце, до сторін якого вільно, без натягу, прив’язано нитку. Опустимо кільце в мильний розчин, отримаємо по обидва боки від нитки мильну плівку (мал. 118, а). Нитка вільно лежить на мильній плівці: сили поверхневого натягу взаємно врівноважуються з обох боків нитки. Обережно прорвемо плівку з одного боку від нитки. Під дією сил поверхневого натягу - плівка скорочується і, діючи на нитку, натягує її по всій довжині - нитка приймає форму дуги кола (мал. 118, б). Сили поверхневого натягу діють уздовж усієї замкнутої лінії (контуру), що обмежує вільну поверхню рідини. Вони завжди напрямлені перпендикулярно до цього контуру і лежать на поверхні рідини, якщо вона горизонтальна.

Мал. 118. Дія сил поверхневого натягу на нитку

Величину, що вимірюється силою поверхневого натягу, яка діє на кожну одиницю довжини контуру, що обмежує вільну поверхню рідини, називають коефіцієнтом поверхневого натягу.

Він характеризує розподіл сил поверхневого натягу вздовж контуру, що обмежує вільну поверхню рідини:

де F - сила поверхневого натягу; l - довжина контуру.

Одиницею коефіцієнта поверхневого натягу рідини в СІ є 1 ньютон на метр (1 Н/м).

Коефіцієнти поверхневого натягу деяких рідин наведено в таблиці 5.

Таблиця 5

Коефіцієнт поверхневого натягу рідин (20 °С)

Речовина	σ, мН/м	Речовина	σ, мН/м
Вода	73	Нафта	30
Гас	24	Ртуть	510
Мильний розчин	40	Спирт	22

Коефіцієнти поверхневого натягу залежать від природи рідин і температури, а також від наявності домішок. Оскільки щільність упаковки частинок у різних рідин неоднакова, виникають певні відмінності і в значенні молекулярних сил, чим і пояснюється залежність коефіцієнта поверхневого натягу від природи рідини.

З підвищенням температури збільшуються середні відстані між молекулами рідини, молекулярні сили зменшуються, і тому з підвищенням температури коефіцієнт поверхневого натягу рідин зменшується. Це можна спостерігати на такому досліді. Насипавши на поверхню води порошку лікоподію (спори рослин роду плаунів), злегка торкнемося її поверхні металевим стержнем тієї самої температури, що й сама вода. Частинки лікоподію залишаться нерухомими. Торкнемося тепер поверхні води розжареним стержнем. Частинки лікоподію розбігаються від центру посудини до його країв, де температура води нижча і сили поверхневого натягу більші.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО