Страница 14 из 16
Присмотритесь, ее поверхность поднялась над краями стакана, и вода ведет себя так, будто ее удерживает эластичная пленка. Состоит она из молекул, между которыми активно действуют силы взаимного притяжения. С увеличением объема жидкости пленка «растягивается». Образуется «горка» воды (рис. 1).
Это явление называется поверхностным натяжением. Влияние поверхностной пленки особенно заметно, когда объем жидкости мал.
Капните на чистую стеклянную пластинку воду, масло и тушь. Они растекутся по стеклу лужицей. Это называется смачиванием. Объясняется оно тем, что молекулы жидкости притягиваются молекулами твердого тела сильнее, чем друг к другу.
Растопите на водяной бане немного парафина. Вылейте его на стекло ровным слоем и дайте застыть. (Парафин можно купить в аптеке или взять из обычной белой свечки. Цветной парафин, применяемый в декоративных свечах, для опытов не годится.)
Капните из пипетки на покрытую парафином пластину воду, масло или тушь. Масло по-прежнему растекается по поверхности. Капельки же воды и туши на поверхности воска станут похожи на «лепешечки». Немного наклоните подложку — капельки устойчиво держатся на ней.
Силы взаимодействия молекул жидкости между собой и с молекулами твердой поверхности примерно одинаковы. Про капли воды и туши мы говорим, что они частично смачивают поверхность воска.
Закоптите на свечке стеклянную пластину или кусочек жести. Капните на нее масло, воду и тушь. Масло смачивает сажу и растекается лужицей, а вот вода и тушь образуют шарообразные капельки. При этом чем они меньше, тем круглей. Наклоните подложку, и капли мгновенно скатятся. Листья некоторых растений, подобно закопченной поверхности, не смачиваются водой и на них становятся видны капельки росы.
Однако глаз здесь не все успевает заметить. Дополните его видеокамерой, произведите съемку крупным планом с увеличенной частотой кадров, а фильм просмотрите с обычной частотой. Вы увидите, что капли на саже подвижны, непрерывно колеблются, как бы «дышат». Они скатываются не как твердые шарики, а как слабо надутые резиновые мячи, проминающиеся в местах соприкосновения с поверхностью.
На пластинку, покрытую сажей, поместите капельку воды. Поднесите к ней наэлектризованную палочку. Капелька воды вытянется в сторону электрического поля. Она может перекатываться и даже подпрыгивать.
Опустите в воду пластину, покрытую сажей. Разверните ее под некоторым углом. На ваших глазах она из черной превратится в зеркально-серебристую. В чем тут дело?
Сажа не смачивается водой. При погружении пластины в воду между сажей и водой образуется слой воздуха, от которого отражается свет.
Таким свойством обладает не только сажа. Опустите в воду клубок шерсти. Он тоже станет серебристым. Кстати, в водоемах встречается паук-серебрянка. Он плетет под водой дом-купол и приносит в него с поверхности воздух на ворсинках своего тела. Погружаясь в воду, паук становится серебристым, как клубок шерсти в предыдущем опыте. А теперь несколько опытов с жидкостью, находящейся в условиях, близких к невесомости.
Бельгийский ученый Плато поставил следующий опыт. Он подобрал две несмешивающиеся жидкости одинаковой плотности: прованское (оливковое) масло и смесь воды и спирта.
Поскольку плотности жидкостей одинаковы, то вес капельки масла в смеси равен нулю. Капелька не тонет и не всплывает, находится в состоянии невесомости! При этом ее форма почти идеально сферическая!
Повторите опыт Плато в небольшой плоской кювете, заменив дорогое оливковое масло машинным. Налейте на дно кюветы немного спирта. Затем из пипетки или трубочки впрысните капельку масла. Плотность масла больше плотности спирта, поэтому она ляжет на дно. Аккуратно, маленькими порциями, доливайте воду, и капелька масла начнет всплывать.
Вы увидите два слоя жидкости: нижний — спиртовой раствор голубоватого оттенка, верхний — прозрачный слой воды. Между слоями большая капля машинного масла, сверху красная, внизу прозрачная. Большую каплю обычно сопровождают несколько маленьких (рис. 4).
Рис. 4
Понаблюдайте за образованием капли на кончике пипетки. Вначале образуется полусферическая оболочка. Она растет, как бы раздувается, стремясь принять некую удлиненную шарообразную форму. Вот появляется тонкая шейка, и капля отрывается (рис. 3).
На какой-то миг она превращается в шар. Этот шар начинает падать и очень быстро под действием сопротивления воздуха приобретает форму падающей капли. Между тем процесс на кончике пипетки на этом не завершается. Шейка, от которой уже отделилась первая капля, продолжает удлиняться и стремительно превращается в новую каплю, поменьше. Процесс протекает быстро. Всех деталей не углядеть. Обычно мы не успеваем заметить большую каплю. Конечно, можно замедлить картину, применив киносъемку. Но можно поступить проще (рис. 2).
Налейте в пробирку прозрачное растительное масло и начните капать в нее воду из пипетки. Капля должна пробивать поверхность масла и опускаться на дно. Если сразу это не получится, придется увеличить порцию воды. Из двух-трех капель, образовавшихся в воздухе, в масле формируется только одна. Под лупой можно увидеть, что она имеет почти идеальную сферическую форму. Опускается на дно медленно и равномерно и там долго сохраняет свою шарообразную форму.
Плотность масла близка к плотности воды. Сила Архимеда почти уравновесила силу тяжести, и получилось состояние, близкое к невесомости. Силы поверхностного натяжения стремятся придать жидкости форму с минимальной поверхностной энергией. Этому условию отвечает форма сферы.
Налейте в пробирку подсолнечное масло, а сверху — машинное. Должно получиться два слоя с четкой границей. Машинное масло недостаточно прозрачно, имеет красноватый цвет. Покрасьте воду тушью и понаблюдайте, как одна и та же капелька жидкости, проходя через различное масло, меняет свою форму. Плотность машинного масла меньше, чем подсолнечного, поэтому и выталкивающая сила меньше. Капельки в нем опускаются быстрее, с ускорением. Сила тяжести делает их форму чуть сплющенной по вертикали. Но, входя в нижний слой прозрачного масла, капелька вновь становится похожей на шар.
Тот же опыт можно сделать как бы наоборот, увидев при этом кое-что новое. Плотность масла меньше, чем плотность воды. Поэтому капля масла в воде падает… вверх. При помощи пипетки и трубочки для коктейля выпустите каплю масла на дно сосуда. Часто образуются сферические капельки разных размеров. Подсолнечное масло поднимается медленнее машинного. Вооружитесь лупой и внимательно проследите за поведением капелек у поверхности воды: капельки масла, словно резиновые мячики, с силой ударяются о поверхностную пленку воды, пружинят, отскакивают, снова возвращаются к поверхности, пока не успокаиваются у поверхности воды.
Опыт Плато и все последующие показали нам, что в условиях, когда сила тяжести хотя бы частично компенсируется силой Архимеда, жидкость под действием сил поверхностного натяжения стремится принять форму шара.
Не следует думать, что все наши опыты и размышления в области капель есть лишь гимнастика ума. В 40-х годах прошлого века советский ученый Я.И. Френкель уподобил атомное ядро капле сверхплотной, в миллиарды раз плотнее золота, жидкости. И на этой основе правильно рассчитал тонкости деления ядра урана…
Но есть у жидкости и еще одна не до конца изученная форма движения — вихревое кольцо.