Страница 13 из 23
Невидимая пленка
Молекулы жидкости, лежащие вблизи ее поверхности, притягиваются не только теми, которые расположены ниже их, но и своими соседями справа и слева. Поэтому поверхность жидкости оказывается как бы покрытой тончайшей натянутой пленкой. В существовании этой пленки легко убедиться. Налейте в чайный стакан воды до самого края, а затем осторожно прилейте еще немного. При некоторой сноровке можно добиться, чтобы жидкость выступала над краями стакана (рис. 28).
Рис. 28. Поверхностная пленка не дает воде перелиться через край стакана.
Что же удерживает жидкость и не дает ей перелиться через края? Ее удерживает поверхностная пленка, образованная притягивающимися друг к другу молекулами.
Можно проделать и такой опыт: возьмите небольшую стеклянную трубочку, засосите в нее воды и, закрыв верхний конец трубочки пальцем, приподнимите ее. Убрав палец, дайте возможность образоваться капле и вновь закройте трубочку. Почему образовавшаяся капля не отрывается? (Рис. 29).
Рис. 29. Висящую каплю удерживает поверхностная пленка.
Можно подумать, что капле мешает оторваться атмосферное давление. Но это неверно. Если увеличить размеры капли, она оторвется. Капля удерживается той же поверхностной пленкой, которая не давала воде переливаться через край стакана.
Этот опыт позволяет измерить ту силу, которая действует в поверхностном слое жидкости. Капля оторвется тогда, когда ее вес сравняется с силой, удерживающей ее. Вес капли легко определить: накапав в стакан 10 или 20 капель и взвесив его, найдем вес жидкости, а разделив полученную величину на число капель, вычислим и вес отдельной капли.
Найденная сила распределяется равномерно вдоль линии, по которой капля присоединяется к трубочке, то-есть вдоль окружности последней. Поэтому, если мы хотим охарактеризовать силу, действующую в поверхностном слое жидкости, надо еще полученную величину разделить на длину окружности поперечного сечения трубочки. Так удается определить то, что называют коэффициентом поверхностного натяжения, а часто просто поверхностным натяжением жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей — небольшая величина. Она измеряется числом дин на один сантиметр. Дина — единица силы, приблизительно равная весу комара, а точнее — одной девятьсот восьмидесятой части грамма.
Поверхностная пленка жидкости стремится сократиться. Согните проволочку в виде буквы П и укрепите на ее ножках подвижную перекладинку (рис. 30).
Рис. 30. Мыльные пленки.
Затем приготовьте мыльный раствор, такой же, какой употребляется для выдувания мыльных пузырей, опустите в него сделанный приборчик, а затем выньте его. Мыльная пленка сейчас же подтянет подвижную перекладинку к вершине буквы П. Взяв осторожно перекладинку за края, можно оттянуть ее вниз, но стоит только отпустить перекладинку, как она сейчас же подтянется к вершине. Подтягивает перекладинку стремящаяся сократиться поверхностная пленка. Если опустить в мыльный раствор прополочный каркасик, а затем вынуть его, то на нем возникнет тонкая пленочка. Придавая каркасику различную форму, можно получить очень причудливые пленки.
Форма возникшей пленки всегда удовлетворяет одному правилу: из всех возможных в данных условиях пленок возникает та, у которой самая малая поверхность.
Вы, наверно, замечали, что маленькие капельки имеют форму шариков, и это неспроста. Шару присуще замечательное свойство: при заданном объеме, или, что то же самое, при заданном количестве вещества, шар является телом с наименьшей поверхностью.
Таким образом, форма капелек вызвана опять-таки стремлением поверхности жидкости сделаться возможно меньше. Этим же объясняется подъем или опускание жидкости в тоненьких трубочках, называемых капиллярами.
Когда трубочку погружают в жидкость, в местах соприкосновения жидкости со стенками трубочки частицы твердого тела приходят во взаимодействие с частицами жидкости. Если взаимодействие молекул жидкости с частицами твердого тела больше, чем взаимодействие молекул жидкости между собой, то говорят, что жидкость смачивает твердое тело, если же меньше — не смачивает.
В узкой трубочке поверхность смачивающей жидкости будет вогнутой (рис. 31), несмачивающей — выпуклой (рис. 32).
Рис. 31. Смачивающая жидкость в капилляре.
Рис. 32. Несмачивающая жидкость в капилляре.
И вогнутая и выпуклая поверхности стремятся сократиться. Сокращаясь, вогнутая поверхность подтягивает жидкость кверху и делается плоской. Однако в силу взаимодействия частиц жидкости и твердого тела поверхность жидкости не может быть плоской, — она снова сделается вогнутой. Вогнутая поверхность вновь сократится и вновь подтянет за собой жидкость. Жидкость начнет подниматься вверх по трубочке.
Когда же этот подъем остановится?
Ответить на этот вопрос несложно, ведь подтянутый в трубочке столбик жидкости висит, поддерживаемый натяжением поверхностной пленки. Совершенно ясно, что подъем прекратится тогда, когда сила, стремящаяся сократить пленку, уравновесится весом поднятого столбика жидкости. Так как вес столбика будет меньше в тонких трубочках, то в них жидкость будет подниматься выше, чем в толстых. В стеклянной трубочке диаметром в один миллиметр вода поднимается всего на 3 сантиметра; диаметром в одну десятую миллиметра — на 30 сантиметров, а в очень тонкой трубочке, диаметр которой составляет одну тысячную часть миллиметра, вода поднимется уже на 30 метров. Этим можно воспользоваться для определения диаметра тонких стеклянных трубочек. В самом деле, достаточно опустить трубочку в воду и измерить, насколько в ней вода будет возвышаться над уровнем воды в широком сосуде, для того чтобы определить диаметр трубочки, не производя никаких других измерений.
Взгляните на рисунок 33.
Рис. 33. График для определения диаметра капилляра.
На нем вдоль горизонтальной линии отложена высота подъема воды. Отметив наблюдаемый подъем, надо провести вертикально вверх линию до пересечения с изображенной на рисунке кривой. Из точки пересечения этих линий проводят горизонтальную линию до пересечения с линейкой, по которой и узнают диаметр трубочки.
Сокращение выпуклой поверхности будет вызывать понижение уровня жидкости в узкой трубочке по сравнению с уровнем жидкости в широком сосуде.
В узкой трубочке уровень несмачивающей жидкости будет располагаться ниже, чем в широком сосуде.
Подъем жидкости в тонких трубочках, или, как его называют, капиллярный подъем, играет большую роль в природе. Особенно велико значение капиллярного подъема в водном режиме почвы. Когда идет дождь, почва увлажняется; однако значительная часть влаги сразу же уходит вглубь, до уровня грунтовых вод. Выше этого уровня важную роль в удержании влаги играет капиллярное поднятие воды. Вода удерживается в порах, образованных отдельными частицами почвы, теми же силами, которые удерживают воду в узких трубочках. Чем тоньше поры, тем выше поднимется вода в почве. В песках высота подъема воды невелика — всего несколько десятков сантиметров. Наибольший подъем наблюдается в суглинистых и глинистых почвах, где он достигает 2–3 метров.