Поверхностное натяжение воды

Приходилось ли вам когда-нибудь принимать ванну с пеной? Нет? Так надо попробовать. Продаются пенные растворы, шампуни и порошки для образования пены в ванне. Если у вас дома уже есть такое средство, то, следуя прилагаемой к нему инструкции, устройте в ванне целые горы пены. А если специального пенного раствора нет, его можно сделать самому, добавив в воду чайную ложку стирального порошка. Здорово получилось, правда Но нельзя же все время только играть с пузырьками в ванне. Наступит момент, когда захочется взглянуть на них с научных позиций.

|Поверхностное натяжение воды

Посмотрите на образующиеся пузырьки. Большие они или маленькие Круглые или в форме коробочки, легкие или тяжелые Долго ли они живут или быстро исчезают Что такое вообще пузыри Как они образуются Начнем исследование с того, что пустим маленькую канцелярскую скрепку плавать по спокойной воде в ванне. Да, да, мы не оговорились — пустим скрепку плавать. Но ведь скрепка сделана из металла, как же она может плавать. Давайте разогнем одну из скрепок так, чтобы получился крючок. Положим на него другую маленькую скрепку. Погрузим нашу конструкцию в воду так, чтобы скрепка лежала на спокойной поверхности воды в ванне. Если проделать все очень аккуратно, то скрепка должна остаться на поверхности воды, даже когда крючок, держащий ее, опустится вниз, под воду. А теперь попробуем опустить скрепку наклонно. Металлическая скрепка быстро пойдет на дно, как вы и ожидали сначала. Значит, в первом случае что-то поддерживало ее, но что Мы уже узнали, что все вещества состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами. Молекулы, расположенные не слишком близко друг к другу, притягиваются. В твердых телах межмолекулярные силы притяжения настолько велики, что надо приложить очень большое усилие для расцепления молекул и разделения твердого предмета на части.

В жидкостях притяжение не такое сильное, но оно существует и вполне ощутимо. Если хотите убедиться в этом, опустите в воду карандаш, а потом выньте его. На кончике карандаша, как бы прилипнув к нему, вопреки закону тяготения, висит капля. Кажется, она притягивается К карандашу какой-то неведомой силой.

Поместим карандаш над листком вощеной бумаги и встряхнем его, чтобы сбросить каплю. Обратите внимание, что вода растеклась по бумаге совершенно правильным кругом. В центре этого круга она чуть приподнята над бумагой, образуя маленький холмик. Несомненно, существует какое-то притяжение между молекулами воды, которое заставляет их собираться в единое целое. Силами притяжения между молекулами воды и объясняется круглая форма капли. Они стягивают молекулы, находящиеся на внешней поверхности, как можно ближе к центру капли. В результате поверхность служит как бы пленкой, стягивающей всю массу жидкости. Говорят, что жидкость обладает поверхностным натяжением.

Теперь вам, наверное, понятно, почему, говоря скрепка «плавает», мы заключили слово плавает в кавычки. Скрепка держится на воде не за счет выталкивающей силы, как держится, например, спасательный круг. Она не тонет потому, что слишком легка для того, чтобы прорвать пленку, удерживается силами поверхностного натяжения.

Приглядитесь внимательно, что происходит с водой вокруг лежащей на ней скрепки. Вы увидите — вода слегка прогнулась под скрепкой. Кажется, будто вся поверхность воды покрыта тонкой гибкой оболочкой, удерживающей скрепку. Конечно,- на самом деле никакого покрытия на воде нет, а существует поверхностное натяжение, которое и не дает легкой маленькой скрепке утонуть. Так же, как и скрепка, могут держаться на поверхности воды другие легкие предметы, сделанные из материалов, которые обычно тонут. Попробуйте провести опыт с кусочком алюминиевой фольги, с маленьким ситом, часто усеянным отверстиями, или тонкой металлической теркой. Эти предметы должны остаться на поверхности воды, если их очень аккуратно положить на нее.

Некоторые насекомые используют поверхностное натяжение, чтобы легко скользить по воде в прудах и ручьях. Сила тяжести, действующая на этих мелких насекомых так мала, что они могут спокойно гулять по водоемам.

Пузыри тоже образуются за счет поверхностного натяжения. Чтобы понять, как это происходит, попробуем образовать пузыри, пустив сильную струю в уже частично наполненную ванну. В месте, куда попадает струя, вода вспенивается, и образуются пузырьки. Но живут они очень недолго и быстро лопаются. После того, как вы закроете кран, пузырьки, скорее всего, исчезнут за несколько секунд. Струя воды по пути в ванну захватывает воздух и увлекает его за собой. Пузырьки воздуха оказываются под водой, и падающая струя раскидывает их в стороны. Затем они всплывают на поверхность недалеко от места падения струи. Пытаясь вырваться наверх, такие пузырьки как бы натягивают поверхностную пленку, но не могут прорвать ее из-за значительных сил поверхностного натяжения. Вот и образуются в ванне маленькие воздушные шарики, обтянутые тонкой пленкой молекул воды.

См. также:  Свет и волны в воде

Если присмотреться к падению струи в чистую воду, можно обнаружить, что пузырьки лопаются очень быстро — через секунду-другую, и на смену им сразу приходят другие. Но если в воду добавлено немного мыла или стирального порошка, пузыри будут намного долговечнее. Почему же такая разница Попробуем сделать так: опять опустим канцелярскую скрепку плавать на воде, только в большой чашке. Теперь добавим в воду на некотором расстоянии от скрепки немного стирального порошка (или шампуня). Через небольшой промежуток времени скрепка вдруг пойдет на дно. Что же случилось Стиральный порошок постепенно растворился в воде и настолько ослабил силы поверхностного натяжения, что они больше уже не могли удерживать скрепку.

Приходилось ли вам когда-нибудь принимать ванну с пеной? Нет? Так надо попробовать. Продаются пенные растворы, шампуни и порошки для образования пены в ванне. Если у вас дома уже есть такое средство, то, следуя прилагаемой к нему инструкции, устройте в ванне целые горы пены. А если специального пенного раствора нет, его можно сделать самому, добавив в воду чайную ложку стирального порошка. Здорово получилось, правда Но нельзя же все время только играть с пузырьками в ванне. Наступит момент, когда захочется взглянуть на них с научных позиций.

|Поверхностное натяжение воды

Посмотрите на образующиеся пузырьки. Большие они или маленькие Круглые или в форме коробочки, легкие или тяжелые Долго ли они живут или быстро исчезают Что такое вообще пузыри Как они образуются Начнем исследование с того, что пустим маленькую канцелярскую скрепку плавать по спокойной воде в ванне. Да, да, мы не оговорились — пустим скрепку плавать. Но ведь скрепка сделана из металла, как же она может плавать. Давайте разогнем одну из скрепок так, чтобы получился крючок. Положим на него другую маленькую скрепку. Погрузим нашу конструкцию в воду так, чтобы скрепка лежала на спокойной поверхности воды в ванне. Если проделать все очень аккуратно, то скрепка должна остаться на поверхности воды, даже когда крючок, держащий ее, опустится вниз, под воду. А теперь попробуем опустить скрепку наклонно. Металлическая скрепка быстро пойдет на дно, как вы и ожидали сначала. Значит, в первом случае что-то поддерживало ее, но что Мы уже узнали, что все вещества состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами. Молекулы, расположенные не слишком близко друг к другу, притягиваются. В твердых телах межмолекулярные силы притяжения настолько велики, что надо приложить очень большое усилие для расцепления молекул и разделения твердого предмета на части.

В жидкостях притяжение не такое сильное, но оно существует и вполне ощутимо. Если хотите убедиться в этом, опустите в воду карандаш, а потом выньте его. На кончике карандаша, как бы прилипнув к нему, вопреки закону тяготения, висит капля. Кажется, она притягивается К карандашу какой-то неведомой силой.

Поместим карандаш над листком вощеной бумаги и встряхнем его, чтобы сбросить каплю. Обратите внимание, что вода растеклась по бумаге совершенно правильным кругом. В центре этого круга она чуть приподнята над бумагой, образуя маленький холмик. Несомненно, существует какое-то притяжение между молекулами воды, которое заставляет их собираться в единое целое. Силами притяжения между молекулами воды и объясняется круглая форма капли. Они стягивают молекулы, находящиеся на внешней поверхности, как можно ближе к центру капли. В результате поверхность служит как бы пленкой, стягивающей всю массу жидкости. Говорят, что жидкость обладает поверхностным натяжением.

Теперь вам, наверное, понятно, почему, говоря скрепка «плавает», мы заключили слово плавает в кавычки. Скрепка держится на воде не за счет выталкивающей силы, как держится, например, спасательный круг. Она не тонет потому, что слишком легка для того, чтобы прорвать пленку, удерживается силами поверхностного натяжения.

См. также:  Устойчивость плавающих тел

Приглядитесь внимательно, что происходит с водой вокруг лежащей на ней скрепки. Вы увидите — вода слегка прогнулась под скрепкой. Кажется, будто вся поверхность воды покрыта тонкой гибкой оболочкой, удерживающей скрепку. Конечно,- на самом деле никакого покрытия на воде нет, а существует поверхностное натяжение, которое и не дает легкой маленькой скрепке утонуть. Так же, как и скрепка, могут держаться на поверхности воды другие легкие предметы, сделанные из материалов, которые обычно тонут. Попробуйте провести опыт с кусочком алюминиевой фольги, с маленьким ситом, часто усеянным отверстиями, или тонкой металлической теркой. Эти предметы должны остаться на поверхности воды, если их очень аккуратно положить на нее.

Некоторые насекомые используют поверхностное натяжение, чтобы легко скользить по воде в прудах и ручьях. Сила тяжести, действующая на этих мелких насекомых так мала, что они могут спокойно гулять по водоемам.

Пузыри тоже образуются за счет поверхностного натяжения. Чтобы понять, как это происходит, попробуем образовать пузыри, пустив сильную струю в уже частично наполненную ванну. В месте, куда попадает струя, вода вспенивается, и образуются пузырьки. Но живут они очень недолго и быстро лопаются. После того, как вы закроете кран, пузырьки, скорее всего, исчезнут за несколько секунд. Струя воды по пути в ванну захватывает воздух и увлекает его за собой. Пузырьки воздуха оказываются под водой, и падающая струя раскидывает их в стороны. Затем они всплывают на поверхность недалеко от места падения струи. Пытаясь вырваться наверх, такие пузырьки как бы натягивают поверхностную пленку, но не могут прорвать ее из-за значительных сил поверхностного натяжения. Вот и образуются в ванне маленькие воздушные шарики, обтянутые тонкой пленкой молекул воды.

Если присмотреться к падению струи в чистую воду, можно обнаружить, что пузырьки лопаются очень быстро — через секунду-другую, и на смену им сразу приходят другие. Но если в воду добавлено немного мыла или стирального порошка, пузыри будут намного долговечнее. Почему же такая разница Попробуем сделать так: опять опустим канцелярскую скрепку плавать на воде, только в большой чашке. Теперь добавим в воду на некотором расстоянии от скрепки немного стирального порошка (или шампуня). Через небольшой промежуток времени скрепка вдруг пойдет на дно. Что же случилось Стиральный порошок постепенно растворился в воде и настолько ослабил силы поверхностного натяжения, что они больше уже не могли удерживать скрепку.

Поверхностное натяжение воды

Есть другой способ убедиться в том, что стиральный порошок и мыло ослабляют поверхностное натяжение. Бросьте в чашку между двумя плавающими в ней (в сантиметре друг от друга) спичками немного стирального порошка или мыльной стружки. Спички резко отпрянут друг от друга, как будто что-то растолкнуло их. Стиральный порошок ослабил поверхностное натяжение воды между спичками. Оставшееся прежним натяжение за каждой из спичек превысило значение поверхностного натяжения между ними, что и заставило воду растащить спички в стороны.

Насекомые, которые известны под научным названием stenus, не только удерживаются на воде с помощью поверхностного натяжения, но и используют силы поверхностного натяжения для того, чтобы двигаться. Брюшко этого насекомого касается воды, а в конце брюшка расположено отверстие. Жидкость, выделяющаяся из отверстия, ослабляет поверхностное натяжение воды за насекомым и более сильное натяжение спереди тянет его вперед. Чтобы остановиться, жучку необходимо либо оторвать брюшко от воды, либо перестать вырабатывать специальную жидкость.

Таким образом, мы установили, что чистая вода обладает большим поверхностным натяжением, чем та, в которой содержится стиральный порошок или мыло. А теперь представим себе объем воздуха, обтянутый со всех сторон очень тонким слоем воды, другими словами,— пузырь. Пусть сначала поверхностное натяжение велико, как в случае чистой воды. Наружный слой воды сильно давит на воздух и сжимает его. Сжатый воздух пытается прорваться через пленку и, в конце концов, прорывает ее в каком-либо слабом месте — пузырь лопается. Когда же поверхностное натяжение слабее, воздуху легче растянуть водную пленку. Давление внутри пузыря становится меньшим и пузырь сохраняется дольше.

В растворах моющих и дезинфицирующих веществ маленькие пузыри или пена сохраняется долго. Когда использованный раствор стекает в канализационный колодец или сточную трубу, пена, образовавшаяся в нем, держится очень долгое время. Она может забить отстойники и системы очистки сточных вод. Кроме того, пена отрицательно сказывается на жизнедеятельности бактерий, очищающих воду. В реках, где хозяйки полощут белье, часто появляются большие грязные хлопья пены.

См. также:  Температура воды

В последнее время эта проблема стала настолько серьезной, что многие предприятия, выпускающие моющие средства, вынуждены были понизить их пенистость. К слову сказать, она совершенно не сказывается на очищающих свойствах этих средств. Единственной причиной, по которой стиральные порошки, всевозможные шампуни и очистители делали такими пенистыми, заключалась в том, что люди, благодаря рекламе, привыкли связывать способность пениться и способность очищать. На самом же деле моющие свойства мыла и стирального порошка обусловлены тем, что они облегчают воде смачивание частичек пищи и других жирных веществ, которые вода обычно не смачивает.

У молекулы моющего средства как бы два конца. Одним она связана с молекулой воды, другим пытается соединиться с молекулой жира или масла. Такая молекула по существу является мостиком, с помощью которого вода и жир могут соединиться друг с другом. Таким образом, вода, в которой растворен стиральный порошок или мыло, обладает способностью смывать грязь с кастрюль, тарелок, рук, одежды.

Межмолекулярные силы, создающие поверхностное натяжение, играют важную роль и во многих других явлениях. Например, утка, плавающая в воде, остается сухой, так как ее перья покрыты слоем жира. Вода не смачивает жирную поверхность, потому что силы притяжения между молекулами жира и воды меньше, чем сила притяжения между молекулами самой воды. Но если какая-нибудь бедняга-утка сядет на воду, в которой растворено достаточно много мыла и другого моющего средства, притяжение между молекулами жира на ее оперении и молекулами мыла приведет к образованию мостика между жиром и водой, и утка насквозь промокнет. А так как мокрые перья тяжелее сухих, утка может даже утонуть. Такая же печальная история ожидает водяного жука, скользящего по поверхности воды. Он тоже утонет в воде с достаточно большой концентрацией стирального порошка.

Вот куда привели нас пузыри — к промокшим уткам и жукам. Мы очень часто заканчиваем рассказ совсем не там, где начали. Это одна из причин, по которой заниматься наукой так интересно.

ЗАДАЧИ

 

1. Вы надули через соломинку мыльный пузырь, а затем осторожно вытащили изо рта соломинку с пузырем на конце. Что произойдет с пузырем дальше?

2. Предположим, мы наполнили узкую пробирку водой до самого края. Что произойдет с водой, если вы осторожно опустите в пробирку маленькую канцелярскую скрепку?

 

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

 

1. Можно непосредственно измерить поверх-ностное натяжение воды, если определить, какая сила требуется для того, чтобы оторвать от поверхности квадратик или кружок, сделанные из легкого, непромокаемого материала. Силу эту вы могли бы измерить с помощью точных весов. Весы делают таким образом. Возьмите кусок толстой проволоки длиной около полуметра. Слегка изогните проволоку посредине и подвесьте ее так, чтобы она могла свободно качаться на нейлоновой нити (леске) Канцелярские скрепки или другие легкие предметы можно использовать в качестве гирек-разновесов. Их можно подвешивать к одному из концов проволоки и увеличивать количество до тех пор, пока они не поднимут с поверхности воды квадратик или кружок, прикрепленный к другому концу проволоки. Используйте ваши весы для того, чтобы сравнить поверхностное натяжение различных жидкостей Выясните, как действуют на поверхностное натяжение растворенные в воде соль, сахар и другие вещества.

2 Сделайте мыльные пузыри с помощью специального раствора (такие растворы иногда продаются в магазинах игрушек). Если его нет, приготовьте сами, растворяя в воде различные моющие средства. Чудесный материал Для пузырей — вода с мылом и немного глицерина. Без сомнения, вы прекрасно умеете пускать пузыри через соломинку или трубочку. Но для этой же цели можно воспользоваться и металлической или пластмассовой пластинкой с круглыми отверстиями (размером в сантиметр или несколько меньше). Чтобы создать пузыри, надо только опустить такую пластинку в приготовленный раствор а затем помахать ею в воздухе.