Без этой силы не получится покрасить автомобильный кузов, насекомое водомерка не сможет бегать по воде, а мытьё жирной посуды станет непосильной задачей. Сила поверхностного натяжения отвечает за многие удивительные явления в природе.
О дружбе молекул
Для начала разберёмся, чем отличается поведение молекул в твёрдых телах, газах и жидкостях. У твёрдых тел молекулы скреплены с соседними молекулами и их движение ограничено. Поэтому твёрдые тела сохраняют свою форму, для того, чтобы их разрушить — нужно приложить усилия, иногда очень большие. У газов молекулы — полные индивидуалисты, с соседними молекулами они практически не связаны. Поэтому газ всегда занимает весь доступный объём, от того понятие поверхности у газов отсутствует.
В жидкостях же молекулы с соседями связаны, но слабо. Поэтому жидкость принимает форму сосуда, в который она налита, но не занимает весь доступный объём. К примеру, если налить 1 литр воды в трёхлитровую банку, то вода не займёт все 3 литра, но примет форму банки. А что происходит на поверхности? Молекулы на поверхности притянуты молекулами-соседями внутри жидкости, но не притянуты молекулами газа (например, воздуха), что находятся выше поверхности. И получается, что поверхность жидкости натянута молекулами как тонкая резиновая плёнка: каждую молекулу на поверхности тянут соседки снизу и сбоку. Поэтому они стараются как можно быстрее сократить свободную поверхность жидкости. Это свойство жидкостей называется поверхностным натяжением.
Благодаря именно этому свойству, вода в невесомости не вытекает струёй, а превращается в шарики — это минимально возможная площадь поверхности жидкости в данной ситуации. Сферическую форму воде придаёт поверхностное натяжение — одинаковое по всей поверхности. Ведь в невесомости сила тяжести отсутствует, поэтому сила поверхностного натяжения стягивает воду в шар.
ЕСТЕСТВЕННАЯ ФОРМА ЖИДКОСТИ
Подобное можно наблюдать и без «космических» условий. Вам понадобится этиловый спирт, подсолнечное масло, вода, пипетка с грушей и прозрачная ёмкость. Налейте масло в ёмкость. Смешайте воду и этиловый спирт, с помощью пипетки и груши впрысните эту жидкость в ёмкость с маслом. В результате получим неподвижную сферическую каплю, которая не тонет и не всплывает. Жидкость, находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, «теряет» свой вес. Силы гравитации компенсируются силой Архимеда, в результате жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму.
Водородные связи
Молекулы в жидкостях скреплены водородными связями. Они достаточно слабые, но играют важную роль в поведении жидкости на различных поверхностях. Способность поверхности к смачиванию напрямую зависит от умения создавать водородные связи с молекулами жидкости. К примеру, стекло отлично смачивается — вода на его поверхности не собирается в капли и медленно стекает. Причина — наличие атомов кислорода в структуре стекла, именно они формируют водородные связи с водой. При необходимости от этого эффекта можно избавиться, покрыв стекло тонким слоем жира, блокирующим образование связей «вода-стекло». Жидкость соберётся в капельки под действием уже сил поверхностного натяжения и свободно скатится со стекла. Водоотталкивающие свойства жира и масла заметили ещё в древности. Ими пропитывали одежду для дождливых сезонов года.
Натяжение в природе
Физики дали явлению поверхностного натяжения собственную букву σ (сигма) и принялись досконально изучать. Оказалось, что в природе много явлений, связанных с силами поверхностного натяжения. Насекомое водомерка успешно пользуется этим, скользя по водной поверхности. Плотность тела насекомого больше плотности воды. Если бы не силы-σ, то скольжение водомерки по воде было бы невозможно. Объяснение простое — сила гравитации, действующая на водомерку, меньше силы поверхностного натяжения. Кроме того, водомерка может похвастаться несмачивающимися волосками на ножках и туловище. Подобный фокус можете провернуть и вы, если очень аккуратно положите на спокойную водную поверхность швейную иголку. Некоторое время она не будет тонуть, а если смазать иголку маслом, то очень долго. Величина поверхностного натяжения воды относится к разряду рекордных, уступая в этом лишь ртути.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМАЧИВАЕМОСТИ
Предлагаем провести опыт по определению смачиваемости. Для этого опустите в жидкость тонкие стеклянные трубки — капилляры, и вы увидите капиллярные явления: жидкость внутри трубок будет подниматься или опускаться. Если жидкость поднялась по капилляру, она считается смачивающей. В противном случае столбик в трубке опустится ниже уровня жидкости в сосуде. О воде, превосходно смачивающей стекло, вы уже знаете, а вот ртуть наоборот «превосходно» не смачивает большинство поверхностей — в металлах отсутствуют водородные связи. Капиллярные явления исследовал знаменитый итальянский учёный Леонардо да Винчи ещё в XV веке. Но только в середине XVIII века немецкий учёный Иоганн Зегнер разработал теорию капиллярности.
Гидрофобный лист
Растение лотос имеет очень гидрофобную поверхность. Его лист покрыт миллионами микроскопических иголочек, не дающими воде прикоснуться к основной поверхности растения. Окружённая газом вода принимает форму капли и не смачивает листья. Она просто стекает, унося нежелательную пыль. «Эффект лотоса» заинтересовал учёных — ведь это замечательный пример высокой несмачиваемости поверхности. Инженерысоздали одеж ду, которая не промокает под сильным ливнем и практически не требует стирки. Разрабатываются краски для автомобилей нового поколения, после внедрения которой уйдут в прошлое автомойки, ведь достаточно будет всего лишь окатить кузов струёй из шланга. Подобные технологии относятся к категории «нано» и в будущем совершат революцию в материаловедении.
ТАЙНА ВОДОМЕРКИ
Кажущуюся лёгкость перемещения водомерки по воде сложно объяснить теоретически. По расчётам, для того, чтобы водомерка не утонула, скорость движения ног должна составлять не менее 0,23 м/с. На практике она гораздо медленнее — так появился парадокс Денни. Только к 2003 году учёным удалось найти объяснение: оказывается, передними лапками насекомое делает гребные движения, создающие крошечные завихрения жидкости под поверхностью. За счёт них создаётся необходимый импульс для движения. В честь этого открытия изображение водомерки в 2003 году поместили на обложку журнала Nature.
Измерительные технологии Как и любую силу, поверхностное натяжение можно измерить, и учёные придумали множество способов это сделать. Самый простой из них — измерение высоты подъёма смачивающих жидкостей в капиллярах: чем выше поднялся столбик, тем больше сила натяжения. Метод достаточно точен и теоретически выверен, но не является единственным. Для следующего способа измерения понадобится сталагмометр — стеклянный пузырёк известного объёма, имеющий точно калиброванный капилляр для истечения жидкости. Число вытекающих капель и значение плотности жидкости позволяют при помощи специальной формулы определить поверхностное натяжение с погрешностью всего в 1%. Полное научное название этого способа — сталагмометрический метод или метод счёта капель.
СТАЛАГМОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
В момент отрыва капли, сила поверхностного натяжения (FH) равна силе притяжения (mg). Из этого соотношения можно определить коэффициент поверхностного натяжения.
Классикой стали два необычных способа расчёта силы σ, названные в честь своих изобретателей — Дю Нуи, Падди и Вильгельми. Суть метода Дю Нуи — в измерении усилия, необходимого для отрыва кольца от поверхности жидкости. При подъёме кольца жидкость стремится стечь с него, что приводит к постепенному утончению плёнки и отрыву измерительного приспособления. Созданы даже специальные приборы для подобных измерений — тензиометры, максимально упростившие исследовательские процедуры.
МЕТОД ДЬЮ НУИ
Сила поверхностного натяжения рассчитывается как разница между максимальным усилием (Fmax), для отрыва кольца, и силой гидростатического столба жидкости под кольцом (Fv ).
Если вместо кольца в тензиометре взять пластину, то получится уже новый метод Вильгельми, отличающийся меньшей точностью, но не требующий знания плотности жидкости.
Очередной вариацией тензиометрических способов выступает метод Падди — в нём нет ни кольца, ни пластины, а есть цилиндр, отрывая который от поверхности жидкости, определяется величина «сигма». Но некоторые жидкости имеют столь малое поверхностное натяжение, что вышеописанные методы им не подходят. И тогда на помощь придёт метод вращающейся капли. Для этого капля исследуемой жидкости помещается в стеклянную трубку с другой, более тяжёлой жидкой субстанцией. Далее трубку начинают вращать вдоль своей продольной оси, капля лёгкой жидкости вытягивается вдоль оси, принимая форму цилиндра. Измерив радиус этого своеобразного вращающегося цилиндра, можно узнать даже самые минимальные значения поверхностного натяжения жидкости.
Тает лёд
Вещества в твёрдом состоянии плотнее, чем в жидком. Но вода — исключение.
Физика льда Из курса физики известно, что при нагревании тело или жидкость расширяется, то есть увеличивается в объёме, а при охлаждении сжимается. Масса остаётся такой же. А плотность, напротив, при нагреве уменьшается, при охлаждении увеличивается, так как плотность обратно пропорционально объёму:
Один литр воды при 90 o С весит примерно 964 грамма. При охлаждении до четырёх градусов, сжимается в объёме до 964 мл. Посчитаем, как изменяется плотность. Масса воды не меняется в процессе охлаждения. Плотность воды при температуре 90 o С равна: 964 г / 1000 мл = 0,964 г / мл
А при температуре 4 o С: 964 г / 964 мл = 1 г / мл
Чем ниже температура, тем выше плотность воды. Вспомните закон Архимеда: если плотность тела больше плотности воды, то тело тонет. Лёд — замёрзшая вода — холоднее жидкой, значит, плотность льда должна быть больше, и лёд «обязан» тонуть. Но тут не всё так просто!
Разрывающий лёд Все жидкости при охлаждении замерзают и превращаются в твёрдое тело. Для разных жидкостей температура замерзания разная, но общее правило не нарушается: при замерзании твёрдая часть тонет в незамёрзшей жидкости. Так ведут себя практически все жидкости, кроме «непослушной» воды. Сначала вода уменьшается в объёме. Так происходит, пока температура не достигнет 4°C. При дальнейшем охлаждении вода медленно расширяется, а при замерзании 0°C скачкообразно расширяется. В итоге объём воды увеличивается примерно на 10% — так что может разорвать ёмкость, в которой замерзает. Именно поэтому работники коммунальных служб хорошо знают, что зимой нельзя допустить появления льда в трубах с водой. Он обязательно разорвёт металлические трубы, какими бы прочными они не были.
Водородная связь ограничивает способность молекул воды образовывать плотную кристаллическую решётку. Вода кристаллизуется в относительно неплотную гексагональную кристаллическую структуру, которая содержит внутри ячеек пустоту размером с целую молекулу.
Почему катятся коньки
С наступлением зимы мы достаём коньки и готовим их к сезону катков. Обязательно относим на заточку перед катаниями. Но у новичков часто возникает вопрос: почему лезвия коньков такие узкие? Ведь на них неудобно не то что кататься, а даже стоять. Это не случайно. Когда вы стоите на коньках, ваш вес через узкие лезвия коньков давит на лёд. У коньков маленькая площадь опоры, поэтому давление на лёд — большое. При большом механическом давлении лёд под коньками тает и в этом месте появляется тонкая плёнка воды, благодаря чему коньки скользят. Но это возможно лишь тогда, когда на улице не очень холодно. При сильном морозе лёд под коньками тает плохо, поэтому кататься труднее.
Формула для расчёта давления такова: Давление = вес человека / площадь опоры.
Если бы лёд тонул, зимой реки и озёра замерзали бы до самого дна, что привело бы к гибели его обитателей.
Лёд для науки
Обычно вода при замерзании кристаллизуется — вспомните спаянные в красивый узор кристаллы снежинки. Учёные применяли низкие температуры, сверхбыстрое замораживание, охлаждение под большим давлением, сочетали эти «пытки» между собой. В результате получили так называемый аморфный лёд, не содержащий кристаллов. Аморфный лёд используется для замораживания биологических материалов: органов, клеток, тканей животных или человека. При обычном замораживании образующиеся кристаллы льда повреждают клетки органов и тканей. Метод со сверхбыстрым охлаждением используют в крионике — технологии сохранения в состоянии глубокого охлаждения только что умерших людей и животных в надежде на то, что в будущем их удастся оживить и при необходимости вылечить. Аморфный лёд образуется при сверхбыстром охлаждении воды до температуры –137 °C за тысячные доли секунды. При быстром замораживании кристаллы просто не успевают образоваться.
Лёд может иметь одну из 17кристаллических структур (Ih, Ic – XVI) в зависимости от условии (температуры и давления). Тройная точка воды соответствует значениям температуры и давления, при которых вода одновременно существует в трёх фазах — в твёрдом, жидком и газообразном. В критической точке поверхностное натяжение жидкости падает до нуля, поэтому исчезает граница раздела фаз жидкость-пар. Такое состояние называется сверхкритической жидкостью.
1 из 17 На сегодняшний день науке известно 17 (!) видов кристаллического льда, отличающихся формой кристаллов, плотностью и даже электрическими свойствами. Правда, на Земле практически весь лёд относится к одному виду, названному «обычный кристаллический лёд» или по-научному — лёд Ih. В верхних слоях атмосферы изредка встречается и другая форма — лёд Ic. Все остальные виды льда получены в лабораториях экспериментальным путём. Но они могут встречаться на других планетах или кометах.
На нашей планете около 30 млн кубических километров льда. Самые большие запасы находятся в Антарктиде. Это около 90% всего льда Земли, или порядка 80% пресной воды нашей планеты. Вполне вероятно, что проблема недостатка пресной воды может нас вынудить использовать антарктический лед в качестве источника питьевой воды. Однако просто топить запасы льда в Антарктиде не получится — это приведёт к другой глобальной проблеме, влияющей на климат Земли. Но эта тема достойна отдельной статьи.
