Научно - исследовательская работа на тему ;"Сила поверхностного натяжения воды"

Научно­практическая конференция                                               «МИФ»                    Исследовательская работа                                     на тему:             «Сила поверхностного натяжения»                                                                                        Работу выполнил:                                                                            ученик 7 «А» класса                                                                                 МОУ «Гимназии №89»                                                                   Брянда Матвей                                                                  Руководитель:                                                                    учитель физики                                                             Пронь М.В. 1 Саратов 2019 Оглавление 1. Введение                                                                                             3 стр. 2. Теоретическая часть.                                                                          3 стр. 3. Сила поверхностного натяжения.                                                     3 стр. 4. Роль поверхностного натяжения.                                                      3­4 стр. 5. Как стирали в древних странах.                                                        4­5 стр. 6. Стиральные машины и их эволюция.                                               5­6 стр. 7. Практическая часть.                                                                          6­8 стр. 8. Эксперимент 1. Стирка.                                                                      6­7стр. 9. Эксперимент 2. Монеты в банке с водой.                                          7 стр. 10.Эксперимент 3. Капли воды и масла на монете.                               7 стр. 11. Эксперимент 4. Миска с водой, скрепки.                                        7­8 стр. 12. Эксперимент 5. Перец, вода, мыло.                                                  8 стр. 13. Эксперимент 6. Кораблик в сосуде с водой.                                    8 стр. 14. Заключение.                                                                                         8 стр. 15. Список литературы.                                                                             9 стр. Введение.  Вода – вещество, без которого на Земле жизнь была бы невозможна.  На уроках физики я узнал про удивительную силу – силу поверхностного натяжения   жидкости.   Поверхностное   натяжение   жидкости   ­  это   сила, действующая   на   единицу   длины   линии,   которая   ограничивает   поверхность жидкости.   Мне   стало   интересно,   какую   роль   играет   данная   сила?   Чтобы ответить   на   этот   вопрос,   я   решил   написать   работу   по   этой   теме.   Для выполнения работы я поставил перед собой следующие задачи: 1. Узнать,   какую   роль   играет   сила   поверхностного   натяжения   в   нашей жизни и в природе; 2. Узнать, как стирали наши предки; 3. Проследить эволюцию стиральных машин. 4.   Провести   экспериментальную   стирку   загрязнённых   тканей,   чтобы определить самое эффективное средство для стирки.  2 5.   Повести   несколько   экспериментов,   связанных   с   поверхностным натяжением.                                    Теоретическая часть.                        Сила поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение ­ термодинамическая характеристика  поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая  работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади  этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и  химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются  постоянными. Силовое (механическое) определение: поверхностное  натяжение ­ это сила, действующая на единицу длины линии, которая  ограничивает поверхность жидкости. Сила поверхностного натяжения  направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к  участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого  участка. Коэффициент пропорциональности  сила, приходящаяся на единицу  длины контура ­ называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он  измеряется в ньютонах на метр.                             Роль поверхностного натяжения. Роль поверхностного натяжения жидкости очень важна. Ведь без него мы   не   смогли   бы   писать   ручками:   обычные   ручки   не   могли   бы   набирать чернила,   из   автоматических   ручек   сразу   бы   выливались   чернила.   Не получилось бы мыть руки, посуду – не появлялась бы пена. Нарушился бы водные   режим   почвы,   что   стало   бы   гибельным   для   растений.   Также, поверхностное натяжение воды играет большую роль в стирке материи. Вода – универсальный растворитель веществ, в основном именно ею стирают вещи. Если силы поверхностного натяжения при растворении в воде стирального вещества становятся самыми маленькими, то эффект стирки будет лучше. 3 Как стирали в древних странах? В древности существовало большое количество способов стирки. Но все они   были   очень   трудоёмкие.   Ниже   приведены   способы   стирки   в   разных древних странах.  1. Древний Египет. В   Древнем   Египте   для   стирки   материи   использовали   соду,   которую привозили с месторождений на западной стороне Нила.  2. Шумер. В   этом   древнем   государстве   для   стирки   одежды   использовали   мыло, которое   изготавливали   из   золы.   Приготовление   мыла   было   таково:  воду смешивали с водой, а затем кипятили, постепенно вливая жир. Таким образом, вырабатывали мыльный раствор. 3. Древняя Греция. В Древней Греции  чтобы постирать одежду, в глине делали специальные ямы, в которые наливали воду. Женщины клали в ямы вещи, затем сами спрыгивали туда. Одежду мяли ногами,   потом   тщательно   прополаскивали.   В   завершении   процесса   стирки ткани выкладывали на прибрежной гальке, где они омывались прибоем. 4. Древний Рим. В Древнем Риме одежду стирали с помощью мочи, позже римляне открыли мыловарение. Согласно преданию слово «мыло» (soap) происходит от слова «Сапо»   –   это   название   священной   горы,   на   которой   приносили жертвоприношения. При сгорании жертв выделялись жиры, и смешивались с золой в костре. Дождевые воды смывала эти вещества в береговую глину реки Тибр. Римляне, стиравшие одежду в этой реке, приметили, что из­за этого вещества одежда отмывалась существенно лучше. Белые   ткани   растягивали   на   плетёных   устройствах   полусферической формы.   Их   помещали   над   котлами   с   горящей   серой,   испарения   которой делали   шерстяные   ткани   особенно   блестящими   и   мягкими.   Затем   вещи обрабатывали защищающей от загрязнений глиной. Чтобы разгладить, одежду помещали под пресс. 5. Древняя Индия. 4 В   Индии   в   древние   времена   стирка   считалась   чисто   мужским   делом, потому   что   предоставляла   собой   очень   трудоёмкий   процесс.   В   настоящее время в некоторых районах Индии такая традиция сохраняется. Индусы весь день бьют белье о большие камни.                 Стиральные машины и их эволюция. Я увидел, что в различных странах в древности были совершенно разные способы стирки. Но сейчас в большинстве стран одежду стирают с помощью специальных стиральных машин. Но как они появились? Я решил исследовать данный   вопрос,   проследить   эволюцию   стиральных   аппаратов.  Используя различные источники, я проследил историю развития стиральных машин:  В давние времена люди руками стирали одежду, используя для этого большую ёмкость (ведро, таз, чан, лохань), применяя валёк или мешалку для белья ­ деревянную палку, на конце которой находится конус или несколько «ножек». Мешалку опускали в ведро с бельём и крутили.  1797 год ­ появилась стиральная доска ­ первое приспособление, облегчающее стирку; 1851 год ­ Джеймс Кинг придумал первую стиральную машину и запатентовал её. Она оказалась очень похожа на современную машинку, но имела ручной привод, поэтому требовала для работы больших физических усилий человека. 1871 год ­  создано более 2000 патентов на различные приспособления для стирки; 1874 год ­  Уильям Блэкстоун создал первым стиральную машину с ручным приводом, затем запустил её в серийное производство. Трудно представить, но предприятие, основанное Блэкстоуном, до сих пор продолжает выпускать стиральные машины. 1900 год ­ в Германии началось производство первых машин для стирки белья; 1908   год   ­  сконструирована   первая   стиральная   машина   с   электрическим приводом; 1920 год ­ более 1300 компаний наладили выпуск стиральных машин; 1947 год ­  первая стиральная машина – автомат, её создали конструкторы фирм Bendix Corporation и General Electric; 5 XX   век   ­  конструкция   стиральных   машин   совершенствуется,   но   без   учёта безопасности   потребителя:   все   приводы   и   детали   машин   оставались открытыми. 1911 год ­ дизайнеры тогда ещё малоизвестной компании Whirlpool первыми закрыли   всю   стиральную   машину   пластиковыми   накладками,   обеспечили вращение   отжимных   валиков   в   одну   сторону,   что   понизило   шумность, обеспечило безопасность человека; 1949   год   ­  создаётся   программное   устройство   для   машины,   в   США появляется первая в мире автоматическая стиральная машина; 1951 год ­ в Европе выпускается первая автоматическая стиральная машина; 1978 год ­  создаётся стиральная машина с системой управления на основе микропроцессора.                                    Экспериментальная часть Так   же   я   решил   провести   несколько   экспериментов   связанных   с поверхностным натяжением.                                     Стирка. 1. В первую очередь я решил проверить как сила поверхностного натяжения влияет на очищение пятен с одежды. Для  этого я взял: 2 стеклянные колбы, 2 палочки для размешивания, 2 лоскута белой ткани с различными пятнами, хозяйственное мыло  Sarma, стиральный порошок  Tide. Лоскуты я испачкал майонезом, маслом, соусом, горчицей. В стеклянные колбы я налил воды температурой ~38°С. Затем, в одной колбе   растворил   порошок,   а   в   другую   –   немного   мыла.   Затем   положил загрязнённые ткани в колбу. После этого я для уверенности посыпал сверху ещё порошка в первую колбу, а во второй ещё немного намылил сверху ткань. После этого, 10 минут мешал специальной палочкой, чтобы очисть ткань.  Итог опыта: Я узнал, что мыло и стиральный порошок способны уменьшать силу   поверхностного   натяжения   и   благодаря   этому   удалять   загрязнения   с ткани. Удалить загрязнения у меня получилось плохо, но всё же, порошок справился со своей задачей лучше, чем мыло. 2.                        Монеты в банке с водой. 6 В этом опыте мне потребовалась стеклянная пустая банка объёмом 540 мл. и   несколько   монет,   одинакового   объёма   (по   10   рублей).   В   ходе   опыта   я потихоньку опускал в банку по одной монете. в до краёв наполненный бокал мне удалось поместить 21 монету. При погружении 22­й монеты, вода начала выливаться. Итог   опыта:   Я   выяснил,   что   сила   поверхностного   натяжения   воды, несмотря на силу Архимеда, позволит добавить достаточно большой объём другого вещества и не дать воде разлиться.  3.                Капли воды и масла на монетах. Для этого опыта мне понадобились пипетка, 2 монеты, вода, подсолнечное рафинированное  масло. Под  монеты  я  подложил   листки  бумаги, чтобы  не испачкать парту.  На первую монету я из пипетки стал капать воду. На монете уместилось 40 капель, на 41 вода начала выливаться. На вторую монету я также из пипетки стал   капать   подсолнечное   масло.   На   монете   уместилось   36   капель,   на   37 масло начало выливаться.  Итог опыта: Благодаря этому опыту я выяснил, что сила поверхностного натяжения подсолнечного нерафинированного масла меньше, чем у воды. 4.                            Скрепка и вода. Для этого опыта мне понадобилась обыкновенная скрепка и миска с водой. На   поверхность  воды   я  аккуратно  положил   скрепку.  Она   держалась  на поверхности   воды   благодаря   силе   поверхностного   натяжения.   Далее   я намазал мылом ватную палочку и погрузил её рядом со скрепкой. Так как из­ за мыла сила поверхностного натяжения уменьшилась, то скрепка больше не смогла держаться на воде, утонула.  Итог опыта: Я выяснил, что сила поверхностного натяжения достаточна для   того,   чтобы   удерживать   на   себе   не   очень   тяжёлые   предметы.   Так, например, по водной глади передвигается водомерка. Также я выяснил, что с помощью мыла можно уменьшить данную силу. 5.                             Перец, вода, мыло. 7 В этом опыте мне понадобилось немого перца, миска с водой и мыло.  В   миску   с   водой   я   насыпал   перец.   Убедился,   что   он   не   тонет,   т.к. удерживается на поверхности с помощью силы поверхностного натяжения. Далее я намылил ватную палочку. Обмакнул в воду, увидел, что перец начал отплывать в разные стороны от мыльного предмета. Постепенно отдельные перчинки начали тонуть. Затем я взял само мыло и обмакнул его в миску. Перчинки также отплывали от него, достаточно быстро тонули.  Итог опыта: Мыло способно уменьшить силу поверхностного натяжения воды настолько, что даже такой лёгкий предмет как перец начинает тонуть.                        «Кораблик» в сосуде с водой. 6. Для   этого   опыта   мне   потребовалась   миска   с   водой,   «кораблик»   ­ внутренняя часть спичечного коробка, мыло.  Я «поставил» «кораблик» на воду. Он медленно начал намокать. Затем, рядом с ним я растворил немного мыла и он начал тонуть быстрее. В итоге «кораблик» намок полностью, но не утонул. Плавал с небольшой осадкой на поверхности. Итог опыта: Сила поверхностного натяжения действует на тело вместе с выталкивающей силой Архимеда, не давая утонуть телу.                                        Заключение. Человек во все время был и остаётся самым главным потребителем воды  на Земле, расходуя воду в том числе и на cтирку одежды. В ходе своего исследования я выполнил все поставленные мною задачи,  провёл опыты, связанные с силой поверхностного натяжения, узнал много  нового о стирке.  В ходе своего исследования я пришёл к выводу:  при стирке  различных загрязнений необходимо использовать различные моющие средства  и различную температуру воды. Также, я убедился в том, что сила  поверхностного натяжения – очень интересное явление, о котором можно  писать очень много.                                      Список литературы 1. Многоликая вода. Детская энциклопедия. № 6 – 2013 8 2. Википедия 3. Наука и жизнь, Всё о стиральных машинах  https://www.nkj.ru/archive/articles/1743 4. http://class­fizika.narod.ru/stir.htm 5. http://www.santi.com.ua/numbers/prof3/prof3s6.html 6. https://clean­expert.spb.ru/kak­stirali­bele­v­drevnih­civilizaciyah.html 7. 8. .«Удивительная физика», Л. Г. Асламазов, А. А. Варламов, изд.:  «Наука», Москва, 1988 г.  Учебник физики для 10 класса средней школы, Н. М. Шахмаев, С. Н.  Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, изд.: «Просвещение», Москва, 1991 г. 9