Научно - исследовательская работа "Поверхностное натяжение: разгадка тайн поверхности жидкости"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

 «Васильевская средняя школа»

155926, с. Васильевское ул. Новая д. 8.

Ивановская область, Шуйский район

Региональный конкурс

на лучший индивидуальный проект школьника

«ПроекториУм»

Научно - исследовательская работа

«Поверхностное натяжение: разгадка тайн физики  жидкости»

Автор работы: Балахнин Валерий Геннадьевич,

ученик 11 класса

Муниципальное общеобразовательное учреждение

 «Васильевская средняя школа»

Руководитель: Канаичева Мария Викторовна,

учитель физики МОУ Васильевская СШ

Содержание

I. Паспорт проекта……………………………………………………………….. 2

II.  Введение. Актуальность.  Цели и задачи проекта ………………………… 3

III. Теоретическая часть.  ……………………………………………………….. 4                                                                                 

3.1. Молекулярное обоснование силы поверхностного натяжения.

3.2. Коэффициент поверхностного натяжения.

3.3. Явление смачивания и несмачивания

3.4. Капиллярные явления. 

IV. Наблюдение силы  поверхностного натяжения……………………………8                                                                                                                                   

V. Измерение коэффициента поверхностного натяжения опытным путем…10

5.1. Методы нахождения поверхностного натяжения.

5.2. Экспериментальное определение коэффициента

 поверхностного натяжения жидкостей.

5.3. Исследование зависимости коэффициента поверхностного

натяжения от примеси и температуры жидкости.

VI. Роль поверхностного натяжения в природе и технике……………………14

VII. Заключение …………………………………………………………………16

VIII.  Используемая литература………………………………………………   16

IX. Приложение (фото автора) ………………………………………………..  17

I. Паспорт проекта

II.  Введение. Актуальность.

Наиболее поразительные съемки на космической станции связаны с тем, что пролитая вода не падает вниз, а продолжает парить. Это обусловлено невесомостью — отсутствием силы тяжести. Но еще более поразительно, что вода стремиться принять форму шара.

Именно полеты в космос наглядно показали известный в физике факт, что, если бы не было силы тяжести, жидкость стремилась бы приобрести шарообразную форму, т. е. форму с минимальной площадью поверхности. Почему?

Актуальность темы исследования обусловлена тем, что в окружающем нас мире физических явлений действует сила, на которую мы обычно не обращаем внимания. Сила эта сравнительно невелика, но играет немаловажную роль в природе.  Без этой силы мы не смогли бы налить воду в стакан; из ручек вытекали бы чернила; малыши не смогли бы  строить «кирпичики» из песка; водомерки не скользили по поверхности воды и многое другое.

 Эта сила действует вдоль касательной к поверхностям всех жидкостей и носит название силы поверхностного натяжения. На уроках физики  в последнее время эта сила не изучается. Мне стало интересно: какова же причина возникновения силы поверхностного натяжения жидкости и отчего  она зависит? Это определило тему моего исследования.

Гипотеза: В жидкостях существует поверхностное натяжение. Коэффициент поверхностного натяжения можно измерить в лабораторных условиях.

Цель проекта: исследование силы поверхностного натяжения жидкости, опытным путем определить коэффициент поверхностного натяжения разных жидкостей выяснить от каких параметров он зависит.

Задачи проекта:

ü Изучить научную литературу.

ü Выяснить причину возникновения поверхностного натяжения жидкости.

ü Провести опыты, подтверждающие существование поверхностного натяжения жидкости.

ü Познакомиться с методами измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

ü Используя доступный метод, опытным путем измерить коэффициент поверхностного натяжения разных жидкостей; определить, отчего он зависит.

Объект изучения: различные жидкости (вода, спирт, молоко, растительное масло, бензин)

Методы исследования:

ü Теоретический

ü Экспериментальный

ü Аналитический

План работы над проектом:

ü Работа с источниками информации

ü Проведение экспериментов

ü Подведение итога работы (оформление работы, создание презентации).

III. Теоретическая часть.

3.1. Молекулярное обоснование силы поверхностного натяжения.

Из уроков физики мы знаем, что жидкость имеет  свой объем, но не имеет формы, принимает форму того сосуда в который она налита. Но так ли это? Ещё Галилей задумался над вопросом: почему капли росы на листьях  принимают шарообразную форму?

Мы знаем, что между молекулами вещества действуют силы притяжения и отталкивания. Молекулы воды или другой жидкости, притягиваясь, друг к другу, стремятся сблизиться. Молекулу в глубине жидкости окружают со всех сторон соседние молекулы. Внутри жидкости молекулярные силы притяжения полностью скомпенсированы, равнодействующая этих сил в среднем равна нулю. Совсем в ином положении находятся молекулы на поверхности жидкости.

Молекула в поверхностном слое имеет одинаковых соседей лишь с одной стороны. В частности, в случае свободной поверхности имеются соседи лишь со стороны жидкости, тогда как со стороны газа (воздуха) они практически отсутствуют (из-за большой разрежённости). В результате молекулы, находящиеся в поверхностном слое, испытывают большую силу притяжения со стороны молекул, находящихся внутри жидкости, чем  со стороны газа.  Равнодействующая сил  будет направлена внутрь жидкости.

Лежащие в поверхностном слое молекулы притягиваются не только частицами, расположенными ниже их, но и своими соседями. Молекулы притягиваются друг к другу с силами, которые, взаимно уравновешиваясь по отношению к каждой частице в отдельности, в то же время связывают их между собой дополнительными силами притяжения.  

В результате действия межмолекулярных сил притяжения и отталкивания, плотность жидкости на поверхности оказывается меньше чем внутри. Молекулы на поверхности жидкости находятся на больших расстояниях друг от друга, чем молекулы внутри жидкости. Жидкость в поверхностном слое находится в растянутом, напряженном состоянии. Молекулы на поверхности жидкости обладают избытком потенциальной энергии. Любая механическая система стремится к устойчивому равновесию, связанному с минимумом потенциальной энергии. В результате поверхностный слой производит на жидкость молекулярное давление. Из-за действия сил межмолекулярного давления жидкость  обладает малой сжимаемостью.

 Под действием сил молекулярного давления молекулы стремятся перейти из поверхностного слоя вглубь жидкости. Поверхность жидкости становится минимальной в данных условиях. Минимальную поверхность среди тел данного объёма имеет шар, поэтому при отсутствии или пренебрежимо малом действии других сил, жидкость под действием сил поверхностного натяжения принимает форму шара. На Земле из-за действия силы тяжести вода в сосуде имеет горизонтальную поверхность.

Свойство сокращения свободной поверхности жидкости во многих явлениях выглядит, таким образом, будто жидкость покрыта тонкой растянутой упругой плёнкой, стремящейся к сокращению.

Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающую эту поверхность, и стремится сократить её до минимума, называют силой поверхностного натяжения.

3.2. Коэффициент поверхностного натяжения.

Для количественной оценки силы поверхностного натяжения её относят к единице длины границы поверхностного слоя. Найденную таким способом величину называют коэффициентом поверхностного натяжения (σ). Коэффициент поверхностного натяжения имеет двойной физический смысл. Динамический смысл коэффициента поверхностного натяжения.  Коэффициент поверхностного натяжения – это физическая величина, численно равная силе поверхностного натяжения, которая действует на линию разрыва единичной длины. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности перпендикулярно к границе поверхностного слоя.

В виде формулы он запишется следующим образом: σ =Ғ/L;  Ғ – модуль силы поверхностного натяжения, которая действует на линию разрыва поверхности жидкости. L – длина линии разрыва. Сила пропорциональна длине, а коэффициентом пропорциональности является коэффициент поверхностного натяжения.  F= σ L. В СИ этот коэффициент измеряется в Н/м.

Имеется и другое определение σ – энергетическое. Оно исходит из того, что если площадь поверхности жидкости увеличивается, то определенное число молекул  поднимается из нижних слоев жидкости в верхний слой.  При этом внешние силы совершают работу против сил притяжения молекул. Величина данной работы будет пропорциональна  площади поверхности жидкости. молекулы поверхностного слоя жидкости имеют избыточную энергию.

A=σ ∆S; A=∆E_пов.; σ=A/∆S. (Дж/м²).

3.3. Явление смачивания и несмачивания

На границе жидкостей с твердыми телами наблюдается смачивание – явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости  с молекулами твердых тел и приводящее к искривлению поверхности жидкости у поверхности твердого тела.

Смачивание жидкостью твердого тела объясняется тем, что сцепление между молекулами жидкости и смачиваемого твердого тела сильнее, чем сцепление между молекулами жидкости. Если взаимное притяжение молекул жидкости между собой больше, чем притяжение их к молекулам твердого тела, то в этом случае жидкость не смачивает твердую поверхность. Количественно смачивание характеризуется углом смачивания (краевым углом).

Угол смачивания θ(тета) – это угол между смачиваемой поверхностью твердого тела и поверхностью жидкости на границе «жидкость – твердое тело». Точнее между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости в данной точке границы. Возможны следующие случаи:

1) Полное смачивание, когда  θ = 0^о. Жидкость растекается по поверхности субстрата до монослоя. Примером может служить бензин или нефть разлитые на поверхности воды. При полном смачивании происходит растекание жидкости по поверхности.

2) Сильное смачивание. Краевой угол лежит в пределах от 0 до 90 ^о.

Поверхность с сильным смачиванием называется смачиваемой поверхностью. Примером может служить  спирт, разлитый на полированном столе.

3) Слабое смачивание. 90^о < θ < 180^о. Такую поверхность называют несмачиваемой. При слабом смачивании капли жидкости как бы поднимаются, стараясь уменьшить площадь своего соприкосновения  с твердой поверхностью. Примерами может служить: капля воды на тефлоновой сковороде; вода на парафине (θ = 105^о); ртуть на стекле (θ = 150^о);

4) Полное несмачивание. Краевой угол равен 180^о. пример: шарик ртути на хорошо очищенной и отполированной поверхности металла.

Явление смачивания объясняется силами притяжения между молекулами жидкости твердого тела. Этими силами пренебречь нельзя. Чем больше поверхностная энергия жидкости, тем больше силы притяжения. Наличие у веществ поверхностной энергии и смачивание проявляются в виде адгзии.  Адгезия (в переводе с  лат. – прилипание) – сцепление поверхностей различных веществ. Процесс адгезии обусловлен межмолекулярным взаимодействием в поверхностных слоях вещества. Физический смысл этого явления – когда две взаимно нерастворимые жидкости или жидкость и твердое тело или два твердых тела приводят в тесный контакт. Под действием межмолекулярных сил притяжения поверхности прочно прилипают друг к другу. Для того что бы их разъединить необходимо приложить усилие и совершить работу. 

В случае смачивания жидкость у стенок немного приподнята. Поверхность её в узких сосудах вогнутая.

В случае несмачивания жидкость у краев сосуда немного опущена. В узких сосудах поверхность её выпуклая.

Это различие в притяжении молекул жидкости к твердому телу заметно, если налить небольшое количество жидкости на пластинку твердого тела. Если жидкость смачивает тело, она растечется по поверхности, а если не смачивает, то образуется капля.

Смачивание имеет большое  значение в промышленности и быту. Хорошее смачивание необходимо при крашении, стирке, обработке фотографических материалов, нанесении лакокрасочных покрытий и др.

3.4. Капиллярные явления.

Под капиллярными явлениями понимают подъем или опускание жидкости в узких трубках – капиллярах – по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках. Смачивающая жидкость поднимается по капилляру. При этом, чем меньше радиус трубки, тем на большую высоту она поднимается. Если рассматривать искривленную поверхность жидкости в капилляре через лупу, то она оказывается похожей на растянутую резиновую пленку, прикрепленную к стенкам трубки и прогнувшуюся вниз.

Поверхность жидкости в капиллярах на всем своем протяжении кривая, её называют мениском.  Мениск, в случае смачивания вогнутый, а при несмачивании выпуклый.

Высота поднятия жидкости в капиллярной трубке прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения и обратно пропорциональна радиусу трубки -  h = 2σ/rρg. Эта формула применима и для несмачивающей жидкости, только в этом случае надо говорить  об опускании жидкости.                                                                                  

Из формулы видно, что высота h тем больше, чем меньше внутренний радиус трубки r. Подъем воды имеет значительную величину в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса. Такие трубки называются капиллярами. Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается вверх, а неслачивающая опускается вниз.

Явления, обусловленные втягиванием смачивающих жидкостей в капилляры или выталкиванием несмачивающих жидкостей из капилляров, называются  капиллярными явлениями.

Капиллярностью объясняется распространение жидкостей по пористым телам, например поднятие жидкости по фитилю, проникновение жидкости по камням фундамента, поднятие влаги в почве.

Капиллярные явления можно наблюдать не только в трубках, но и в узких щелях. Если опустить в воду две стеклянные пластины так, чтобы между ними образовалась узкая щель, то вода между пластинами поднимется, и тем выше, чем ближе они расположены.

Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин деревьев, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим капиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, т.е. сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай.

В технике капиллярные явления имеют огромное значение, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т.п. Большое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров. В бумажной промышленности приходится учитывать капиллярность при изготовлении различных сортов бумаги. Например, при изготовлении писчей бумаги ее пропитывают специальным составом, закупоривающим капилляры. В быту капиллярные явления используют в фитилях, в промокательной бумаге, в перьях для подачи чернил и т.п.

IV. Наблюдение силы  поверхностного натяжения.

В существовании силы поверхностного натяжения можно убедиться на простых опытах.

Опыт № 1.

На поверхность воды аккуратно кладём  металлическую булавку, она не тонет.

Объяснение: Булавка деформирует поверхность воды. В результате увеличивается площадь поверхности жидкости. Прогнутый поверхностный слой воды, стремится сократиться. Равнодействующая сил направлена вверх, и она компенсирует силу тяжести. Жидкость в верхней части ведет себя как упругая плёнка, которая  держит булавку на поверхности воды.

Опыт № 2.

Окунём в мыльную воду проволочное кольцо, видим, что оно затягивается мыльной плёнкой – тонким слоем жидкости. Положим на эту плёнку небольшую петельку из шёлковой нити и проткнём плёнку в области, охваченной петелькой. Видим, что окружающая петельку мыльная плёнка растянет её и придаст ей форму окружности.

     Опыт № 3.

Возьмем  проволочный  каркас и соединим его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустим каркас в мыльную воду, видим, что вынутый из воды каркас затянут мыльной плёнкой. Проколов плёнку по одну сторону нити, заметили, что нить приняла форму дуги.

Объяснение: В последних двух опытах оставшийся  мыльный раствор воды стремится сократить площадь своей поверхности. Поэтому в опыте №2 петля растягивается, образуя окружность, а опыте №3 нить натягивается в виде дуги.

Опыт № 4.

Выдуем с помощью трубки мыльный пузырь, а затем её свободный конец поднесём к пламени свечи. Пламя свечи начинает отклоняться в противоположную сторону.

Объяснение: Под действием сил поверхностного натяжения пузырь будет уменьшаться в размерах, выталкивая воздух через трубку в виде струи, отклоняющей пламя свечи.

Опыт № 5. Вариант опыта Плато (1849г.). Поводом, побудившим бельгийского профессора к таким опытам, был случай. Нечаянно он налил в смесь спирта и воды небольшое количество масла, и оно приняло форму шара. Размышляя над этим фактом, Плато наметил ряд опытов, которые впо­следствии блестяще были выполнены его друзьями и учениками. Сам Плато не мог любоваться этими опытами, т.к. совершенно ослеп в 1843г.    

В пробирку, наполненную касторовым маслом, накапаем  окрашенную воду.

Вес капли компенсируется за счёт архимедовой силы выталкивания. Масло имеет плотность 0,97г/см³, капля воды, опускаясь, находится практически в невесомости. Под действием сил поверхностного натяжения она принимает форму шара.

Объяснение: Мы привыкли думать, что жидкость имеет объём, но не имеет собственной формы. Но при свободном падении возникает состояние невесомости, поэтому жидкость принимает форму шара.

Вывод: Проделанные опыты свидетельствуют о том, что поверхностный слой жидкости всегда находится в состоянии  натяжения и стремится сократиться.

В своём стремлении сократиться поверхностная плёнка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы сила тяжести не прижимала жидкость ко дну сосуда или другой поверхности. При свободном падении возникает состояние невесомости, поэтому дождевые капли почти точно шарообразны. В космическом корабле, находящемся в состоянии невесомости, шарообразную форму принимают не только отдельные капли, но и жидкости большой массы. Поэтому утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не вполне точным. Собственная форма жидкости – шар.

V. Измерение коэффициента поверхностного натяжения опытным путем. 5.1. Методы нахождения поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение жидкостей можно определить экспериментально. 

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у равновесной поверхности. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя.

 Статические методы определения поверхностного натяжения.

Метод поднятия жидкости в капилляре.

Метод основан на определении высоты столба жидкости h в капилляре радиуса r при полном смачивании. Поверхностное натяжение рассчитывают по формуле: σ=ρghr/2

 Метод Вильгельми.

В данном методе определяется сила, которая необходима для уравновешивания тонкой пластинки шириной d, погруженной в жидкость; обычно используется полностью смачиваемая жидкостью пластинка и поверхностное натяжение рассчитывается из выражения: σ=F/2d  

Метод лежачей капли.

 Основан на измерении геометрических параметров равновесной капли, форма которой определяется соотношением плотности и поверхностного натяжения жидкости. Для определения поверхностного натяжения по результатам измерений геометрических параметров капли с требуемой точностью используются специальные таблицы или проводится расчет численными методами.

Динамические методы.

Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца)

Является одним из наиболее распространенных методов определения поверхностного натяжения жидкостей. Связь поверхностного натяжения с силой F, необходимой для отрыва от поверхности жидкости тонкого кольца радиуса R, хорошо смачиваемого жидкостью, описывается выражением:

σ=kF/2πR, k- величина зависит от соотношения R кольца и толщины проволоки, из которой оно сделано, а так же от поверхностного натяжения жидкости.

Метод максимального давления пузырька(метод Ребиндера).

Основан на измерении максимального значения капиллярного давления Р = 2/r₀,  возникающего при образовании на срезе капилляра пузырька сферической формы; это максимальное давление определяется радиусом капилляра ro. Метод чаще всего используется как относительный, и поверхностное натяжение исследуемой жидкости определяется по отношению значений максимальных давлений Р исследуемой и Р_э эталонной жидкостей или из соотношения соответствующих высот поднятия манометрической жидкости σ=σ_э; h/h_э .

 Метод отрыва капель (сталагмометрический метод)

Наиболее простой способ определения коэффициента поверхностного натяжения – это метод отрыва капель.

Метод основан на том, что при образовании капель жидкости, вытекающей из узкой вертикально расположенной трубки внутреннего радиуса r, отрыв капли происходит при условии, что ее сила тяжести  преодолевает силу поверхностного натяжения, действующую по периметру шейки капли.

Стремление жидкости уменьшить площадь поверхности проявляется и в том, что малый объем жидкости принимает форму, близкую к шару. В этом случае сила тяжести, действующая на каплю, мала, и форма капли жидкости определяется поверхностной энергией. Этим же объясняется шаровидная форма капель в состоянии невесомости. Перед отрывом капли образуется шейка, радиус которой несколько меньше радиуса трубки. Вдоль окружности этой шейки и действует сила поверхностного натяжения Fσ, направленная вверх, которая в момент отрыва равна силе тяжести. Если радиус шейки r = R, то Fσ =2πRσ = m₁g, где m₁- масса одной капли жидкости. Зная массу одной капли жидкости, можно определить σ: σ = m₁g/2πR.

5.2. Экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

 Наиболее простой способ определения коэффициента поверхностного натяжения – это метод отрыва капель.

Оборудование: иголки, весы электронные, шприц (пипетка), стакан химический.

Исследуемые жидкости: кипяченая вода, касторовое масло, молоко, бензин,  муравьиный спирт.

Работа проводилась в такой последовательности:

1. Для измерения диаметра внутреннего носика шприца я применил метод рядов. Взял 20 одинаковых иголок. Методом рядов определил  диаметр одной иголки. Затем вставил иголки в носик шприца. Умножил количество иголок на диаметр одной иголки. В результате вычислений получил, что внутренний диаметр шприца равен 7 мм.

2. Взвесил пустой химический стаканчик.

3. Набрал в шприц исследуемую жидкость. Накапал в химический стаканчик (медленно) 40 капель исследуемой жидкости. При таком условии можно считать, что отрыв капель происходит только под действием силы тяжести.

4. Вторично взвесил стаканчик с жидкостью и нашел массу жидкости.

5. Нашел коэффициент поверхностного натяжения по формуле: σ = mg/nπd. (при 22⁰С) (не находил массу одной капли)

6. Плотность исследуемой жидкости взял из таблицы плотностей.

7. Результаты исследования представлены в таблице.

Вывод: коэффициент поверхностного натяжения зависит от плотности жидкости; при уменьшении плотности жидкости поверхностное натяжение уменьшается. Следовательно, чем больше плотность жидкости, тем больше поверхностное натяжение.

Но из таблицы видно, что плотность молока больше плотности воды, а коэффициент поверхностного натяжения меньше. Это можно объяснить тем, что в молоке находятся ПАВ (поверхностно – активные вещества)  - белки, жиры, фосфолипиды.

5.3. Исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения от примеси и температуры жидкости.

Так как коэффициент поверхностного натяжения уменьшается  при добавлении в жидкость  ПАВ, я решил убедиться в этом с помощью следующего исследования.

Добавил в кипяченую воду жидкость для мытья посуды и вышеописанным методом нашел коэффициент поверхностного натяжения мыльной воды. Исследование проводил при температуре 22^ОС.

Вывод: Из-за достаточно высокого поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает очень хорошим чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, например, молеку­лы воды притягиваются друг к другу больше, чем к части­цам нерастворимой грязи. Мыло и синтетические моющие средства (СМС) содер­жат вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды. Первое СМС появилось в 1916 г., его изобрёл не­мецкий химик Фриц Гюнтер для промышленных целей. Бытовые СМС, более или менее безвредные для рук, стали выпускаться в 1993 г. Сейчас производство СМС стало важ­ной отраслью химической промышленности. Эти вещества называют поверхностно-активными веществами (ПАВ), поскольку действуют они на поверхности жидкости.

Следующий этап работы:  исследовать зависимость  коэффициента поверхностного натяжения от температуры воды.  Для данного исследования  брал воду комнатной температуры (22^ОС.), нагревал воду до 30^ОС и 40^ОС.

Вывод: С увеличение  температуры воды, поверхностное натяжение уменьшается.

Это связано с тем, что при повышении температуры увеличивается средняя кинетическая энергия молекул жидкости, что приводит к их более интенсивному движению. В результате увеличивается вероятность перехода молекул на поверхность жидкости, что уменьшает ее поверхностное натяжение.

Из проведенных исследований можно сделать вывод.

 Коэффициент поверхностного натяжения зависит от:

1) рода жидкости (чем больше плотность жидкости, тем больше поверхностное натяжение);

2) от температуры жидкости (чем больше температура, тем меньше коэффициент поверхностного натяжения);

3) от наличия примесей в жидкости (моющие средства уменьшают поверхностное натяжении жидкости).  

VI. Роль поверхностного натяжения в природе и технике.

Роль поверхностного натяжения в жизни  очень разнообразна. Прогиб плёнки не позволяет вылиться воде  через решето. Ткань  - это тоже решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение затрудняет просачивание воды сквозь неё.

В своем стремлении сократиться поверхностная  пленка придавала бы жидкости сферическую  форму, если бы не сила тяжести. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению тяготением. Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Если бы капли дождя не принимали шарообразную форму, то  слабый дождик промочил бы нас насквозь. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, мы не могли бы любоваться этим прекрасным оптическим явлением.

Изготовление дроби в 18 веке было долгим процессом. Сначала нужно расплавить кусок свинца, залить его в форму, дать остыть, вынуть, помыть… и так —много раз, в зависимости от необходимого количества боеприпасов.

Но промышленник Уильям Уаттс превратил изготовление дроби в простую  процедуру. Однажды он наблюдал за дождем и заметил, что летящие в воздухе капли воды имеют идеальную округлую форму. Если такое происходит с водой, почему этого не случится с расплавленным свинцом, подумал Уильям.

Он построил для этого специальную башню, с верхнего этажа которой вниз выливали расплавленный свинец. Жидкий свинец распадался на шарообразные капли и застывал еще в полете. Чтобы падающая дробь не деформировалась и окончательно остыла, в подножии башни устроили бассейн с водой. Уильяму оставалось только достать дробь и рассортировать ее по размеру.

Явление капиллярности играет огромную роль в природе и технике. Ствол, ветви и стебли растений пропитаны множеством капилляров, по которым поступают питательные вещества и вода.

По капиллярам находящаяся в почве вода поднимается наверх и испаряется. Чтобы во время засухи сохранить влагу необходимо разрушить капилляры, для этого необходимо вспахать землю. Капиллярные явления лежат и в технологических процессах пропитки веществ различными жидкостями. Это и соление рыбы, смоление шпал, изготовление специальной керамики, пропитанной расплавленным металлом. Пчелы извлекают нектар из цветка посредством очень тонкой капиллярной трубки, находящейся внутри пчелиного хоботка.

Оперение водоплавающих птиц предохраняется от намокания следующим образом. Плотное переплетение перьевых и пуховых бороздок образует упорядоченную структуру. Жирные выделения расположенной у основания хвоста копчиковой железы, наносимые клювом на перья, сохраняют эту структуру и создают водоотталкивающую поверхность. Между молекулами воды и жира силы притяжения слабее, чем между молекулами  воды.

Кроме того, листья и плоды многих растений не смачиваются водой из – за того, что покрыты восковым налётом.  Это налёт предохраняет их от загнивания в дождливые периоды. Водомерка свободно передвигается по поверхности воды благодаря тому, что её лапки покрыты липидным слоем и не смачиваются.

В биологии поверхностное натяжение играет важную роль в таких процессах, как дыхание у насекомых. Например, у насекомых дыхание происходит при помощи трахейной системы, в которой воздух движется благодаря созданию поверхностного натяжения в трахеях. Это позволяет насекомым эффективно получать кислород из воздуха.

Важно отметить, что поверхностное натяжение также имеет значение в медицине и фармакологии. Силы поверхностного натяжения используются для создания капсул и микрокапсул. Капсулы могут содержать лекарственные препараты, ароматы, красители и другие вещества. Они могут быть использованы в фармацевтике, косметике, пищевой промышленности и других областях.

Так, в медицине измеряют коэффициент поверхностного натяжения сыворотки крови для диагностики заболеваний и контроля за проводимым лечением.

Если пузырек воздуха попадет в кровеносный сосуд небольшого диаметра, то из-за сил поверхностного натяжения может наступить закупорка сосуда (пузырек как бы прилипает к стенкам сосуда и перекрывает его). Это явление называется газовой эмболией. Поэтому при инъекциях нельзя допускать попадания в иглу шприца пузырьков воздуха. Для этого перед инъекцией всегда сбрасывают немного жидкости из шприца.

Поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма и нас самих. В легких, поверхностное натяжение играет ключевую роль в процессе дыхания. Когда мы вдыхаем, поверхностное натяжение позволяет открыть альвеолы, маленькие воздушные мешочки, где происходит газообмен. При выдохе, поверхностное натяжение помогает предотвращать коллапс альвеол и поддерживает эффективность газообмена. В пищеварительной системе, поверхностное натяжение жидкостей влияет на поглощение пищи и работы желудка. Оно обеспечивает равномерное смешивание пищи с желудочным соком и помогает емкости желудка максимально использовать свою вместимость для пищеварения.

Это лишь некоторые примеры практического применения поверхностного натяжения.

VII. Заключение

Среди всех веществ на Земле вода обладает уникальными физическими свойствами. Она является важнейшим звеном, объединяющим все живое на нашей планете. Организм взрослого человека на 70% состоит из воды, все биологические процессы обмена веществ протекают в водном растворе. Вода используется для различных технологических процессов и обладает некоторыми свойствами, не характерными для других жидкостей. Одним из таких удивительных свойств является поверхностное натяжение.

Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике. Оно собирает воду в капли и позволяет водомерке скользить по воде, выдуть мыльный пузырь и писать ручкой, вымыть руки. Благодаря силам поверхностного натяжения жидкости, смачивающие поверхность тонких трубок – капилляров, поднимаются вверх, а жидкости, не смачивающие поверхность трубок, опускаются вниз. Особо важную роль капиллярные явления играют в биологии и сельском хозяйстве. Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным количеством капилляров. Движением жидкостей в этих сосудах объясняются такие биологические явления, как распространение питательных соков от корня до верхушек растений. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что в состоянии невесомости  любой объем жидкости принимает строго сферическую форму; это неоднократно демонстрировали телезрителям космонавты в телерепортажах с космических станций.

VIII.  Используемая литература:

1. Энциклопедический словарь юного физика. Москва «Педагогика» 1984г;

2. А.П.Кирьянов, С.М.Коршунов. Термодинамика и молекулярная физика. Пособие для учащихся. Москва «Просвещение» 1977г;

3. С.У.Гончаренко, П.Н.Воловик. Физика. Москва «Просвещение» 1981г;

4. Практикум по физике в средней школе. Под редакцией А.А.Покровского. Москва «Просвещение» 1973г;

5. Физика в школе (научно -методический журнал), №6, 2006г.

6. М.И. Блудов. Беседы по физике. Москва «Просвещение» 1984г.

7. Г.С. Ландсберг. Элементарный учебник физики. Том 1: Механика. Теплота. Молекулярная физика. - М.:Физматлит, 2012.

8. Я.И. Перельман. Занимательная физика: Книга 1. - М.: Наука, 1979.

Интернет ресурс:

1. http://school-collection.edu.ru Единая коллекция ЦОР "Виртуальные лабораторные работы»

2. http://barsic.spbu.ru Виртуальные лабораторные работы по физике

3. http://ru. wikipedia. org/wiki/Поверхностное_натяжение http://ido. tsu.

Приложение

Опыты, доказывающие существования поверхностного натяжения жидкости.

Опыты, доказывающие свойства сокращения свободной поверхности жидкости.

Опыты, доказывающие, что жидкость принимает форму шара (при малой силе тяжести). Опыт Плато.

Экспериментальное определение поверхностного натяжения разных жидкостей

Измерение диаметра носика шприца методом рядов

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капель.