презентация по физике на тему "Поверхностное натяжение"

Поверхностное натяжение.  Поверхностное натяжение.   Свойства жидкости и газа Уравнение Бернулли. Уравнение Бернулли.  Свойства жидкости и газа Выполнила студентка 1 курса  Выполнила студентка 1 курса  Костанайского Педагогического  Костанайского Педагогического  Коледжа Коледжа факультета «Дизайнер» факультета «Дизайнер» Тусенова А.А. Тусенова А.А.

Свойства жидкости и газа • Жидкие тела характерны тем, что не оказывают  сопротивления сдвигу и поэтому способны изменять  свою форму под воздействием сколь угодно малых сил. • При изменениях объема, происходящих в результате  внешних воздействий, в жидкости возникают упругие  силы, в конце концов уравновешивающие действия  внешних сил.  •Упругие свойства жидкостей проявляются в том, что  отдельные части их действуют друг на друга или  на  соприкасающиеся с ними тела с силой, зависящей от  степени сжатия жидкости. •Соотношение кинетической и потенциальной  энергий в жидкости твердом теле и газе

Изменим определение  водородной связи ?   Водородные связи образуются между атомом Н,  который  связан  двумя   электроотрицательными   атомами  (кислород или фтор)  в той же или соседней  молекуле.  Принято считать, что взаимодействие имеет  электростатическую  природу (положительный водород притягивается к электроотрицательному  атому) . Водородные связи порождают H2O  и закручивают (прошивают) нити ДНК  в  двойную спираль. Вода  жидкость уникальная  и  обладает максимальной  плотностью при температуре +4 0С,  а реки и озера промерзают не снизу вверх, а  сверху вниз, и в них зимой могут обитать живые существа.  А  может быть она частично ковалентна и происходит обобщение электронов  водорода и второго образующего связь атома? А опредление водородной связи  сформулировать так ­ это взаимодействие между атомом  Н в молекуле  с более  электроотрицательным атомом, чем водород, или группой атомов в той же  или другой молекуле, у которого существуют признаки формирования  ковалентной связи? Ученые   сумели визуализировать водородные связи !

Поверхностное натяжение  r rмол мд. F На молекулу в поверхностном  слое жидкости со стороны  окружающих молекул  действует результирующая  сила, направленная  вглубь жидкости. Обусловлено это просто большой разницей  плотностей жидкости и газа над ее поверхностью, в котором  оказывается часть сферы молекулярного действия, обозначенной  на рисунке пунктиром. На молекулу в глубине жидкости со всех  сторон действует одинаковое число молекул, поэтому  результирующая равна нулю. Есть и силы притяжения и силы  отталкивания. Силы притяжения спадают с расстоянием гораздо  медленнее. Т.е. силы отталкивания действуют только на очень  маленьких расстояниях. Т.е. отталкивают только окружающие  молекулы, а притягивает огромное количество, но внутри их  больше (плотность жидкости выше)

Поверхностное натяжение • Чтобы молекула из глубины жидкости смогла попасть в  поверхностный слой ей нужно совершить определенную работу  против силы притяжения остальных молекул, что достигается за  счет уменьшения ее кинетической энергии, которая при этом  частично переходит в потенциальную.  • В результате поверхностный слой обладает дополнительной  потенциальной энергией. В положении равновесия потенциальная  энергия должна быть минимальна, все «лишние» для поверхности  молекулы втянуты силами притяжения вглубь жидкости и в  результате любая жидкость принимает форму с минимальной  поверхностью при данном объеме.   • Из геометрии известно, что это шар. В невесомости, а также если  компенсировать силу тяжести другим путем,  капли принимают  именно эту форму. Как это сделать?

Капля в магнитном поле или черная дыра? понять,  позволят      В ядерной физике используется модель  капли  жидкости  для  описания  ядра.  Эксперимент  как  вращаются  ядра,  космические  объекты    и    черные  дыры.    Поверхностное  натяжение  заставляет  свободно  падающую  каплю  принимать  сферическую  форму.  Однако  с  ростом  сил  вращающаяся  капля  принимает  форму    эллипсоида,  потом  делится  на  две  доли  (как  гантели),  на  три,  четыре,  ..  пока  не  примет, в идеале, форму тора.  центростремительных          В  частности  исследователи  космоса  предполагают,  что  горизонт  событий  черной  как  поверхностное натяжение.   действует  дыры       На Земле в поле силы тяжести  диамагнитная капля воды  левитирует в градиенте поля  сверхпроводящего магнита  (16.5 Тесла). С помощью  электродов можно  регулировать токи, которые  вращают каплю.  R. J. A. Hill  and L. Eaves PRL, 101,  234501 (2008).

Что происходит в туче?   • Установлено, что  при напряжении в несколько кВ разноименно  заряженные капли воды отталкиваются вместо того, чтобы  притягиваться.  • Из­за сил натяжения водяные капли имеют сферическую форму. Однако  при сближении двух электрически заряженных сфер их форма начинает  меняться ­ между каплями формируется водяной мостик  ­ опять как и  ранее гантель!   Возможно что то подобное происходит в грозовой туче? Молния?   Площадь мостика постепенно растет и в конце концов две капли сливаются  вместе. При больших значениях заряда в мостике происходит обмен  зарядами, который заканчивается пробоем. Капли восстанавливают свою  изначальную форму и разлетаются друг от друга под воздействием сил  натяжения. Это важно учитывать при  разработки микрожидкостных чипов  – «минилабораторий», оперирующих  с микроколичествами жидкостей.

Стрелками показаны места обмена зарядами.

Для капель свои законы ….трения? Капли во время опыта •  Как мы знаем сила сухого трения пропорциональной нормальной составляющей  силы реакции опоры. Тяжелые сани тащить тяжелее!                      А жидкую  каплю? Fтр.ж. = ­bv ?   • Поместим капли масла объемом несколько микролитров на специальный  механический рычаг, который вращается вокруг оси и меняя угол наклона  рычага и скорость вращения (контролировать различные силы, действующие на  каплю) заснимем поведение капли камеру. Цель опыта ­  продемонстрировать,  что  в случае движения микроскопических капель жидкости главную роль  играют силы, отличные от привычных.  • Установлено, что важную роль в движении капли играет поверхностное  натяжение. При некотором соотношении угла наклона и скорости вращения  рычага оказалось, что каплям примерно на 27 % легче двигаться по поверхности  (то есть капля сверху, поверхность снизу), чем быть подвешенными к ней (то  есть поверхность сверху, капля снизу). При этом, во втором случае силы  тяжести не мешают току капли, а помогают.

l F Поверхностное натяжение Стремление жидкости к  сокращению своей поверхности  можно описать и количественно с  помощью сил поверхностного  натяжения и коэффициента  поверхностного натяжения. Выделим мысленно произвольный плоский участок  поверхности жидкости, ограниченный замкнутым  контуром длины  l. Так как жидкость стремится  сократить свою поверхность, то вдоль всей длины  контура l выделенный участок действует на остальную  часть поверхности с силой, направленной по  касательной к поверхности (в нашем случае в   плоскости) и перпендикулярной к контуру на  каждом элементе этого контура.

Коэффициент поверхностного натяжения  l F Обозначим величину общей для  всего контура силы буквой F.  Сила, действующая на единицу  длины контура l, называется  коэффициентом  поверхностного натяжения и  по модулю равна: Fσ l σ В системе единиц СИ     можно измерять либо в  Ньютонах на метр (Н/м), либо как увидим далее также  в Джоулях на квадратный метр (Дж/м2).

Коэффициент поверхностного натяжения Рассмотрим рамку с невесомой подвижной  перемычкой затянутую жидкой пленкой. Пленка  имеет две поверхности (ту которую мы видим сверху  и снизу под пленкой которая нам не видна). Чтобы  перемычка не перемещалась, к ней надо приложить  внешнюю силу F= 2lσ , уравновешивающую силу  поверхностного натяжения 2­х поверхностей (в  направлении   действию силы).   Увеличив внешнюю  силу, сместим перемычку на расстояние dx. При этом  совершим работу: Fdx dx 2lσ dA  dSσ dx l F   где  dS – суммарное приращение площади поверхности пленки  (сверху и снизу). Работа пойдет на увеличение потенциальной   энергии жидкости в пленке. Коэффициент поверхностного  натяжения численно равен работе, которую надо совершить,  чтобы увеличить площадь поверхности на единицу  =σ dA/dS

Факультативно: А сила натяжения сильная? Используя силу поверхностного натяжения у капли воды,  физики разработали новый метод для создания крошечных  фигурок – сфер, тетраэдров и пирамид ­ из кусочка  резины. Жозе Бико вместе с коллегами использовали силу  поверхностного натяжения, чтобы собирать, направлять и  разрушать объемные объекты. Они вырезали плоские  фигурки миллиметрового размера из тонкой эластичной  мембраны от 40 до 80 микрон толщиной. Затем капали на  фигурку каплю воды достаточно большую, чтобы она  касалась всех углов вырезанной фигуры. По мере  испарения капли, ее поверхностное натяжение стягивало  мембрану вокруг уменьшающегося объема капли, пока она  полностью не оказывалась внутри созданной объемной  фигуры

Методы изучения явлений  поверхностного натяжения: 1.Метод пузырька  2.Метод проволочной рамки 3.Метод капли

1. Метод Пузырька «Выдуйте мыльный  пузырь и смотрите на него:  вы можете заниматься всю  жизнь его изучением, не  переставая извлекать из  него уроки физики», –  писал великий английский  физик лорд Кельвин.

2.Метод Проволочной рамки

Работы физика Дэвида Голдиса

3. Метод Капли

Роль поверхностного натяжения в  жизни.