Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила - [65]
Опыт 4. Если вы понаблюдали за всем семейством капель и лужиц разного размера, подобных тем, которые представлены на фиг. 110, д, то сможете вывести (путем индукции) несколько интересных правил. Определите свойства, общие для большинства капель.
Опыт 5. Устраните почти полностью влияние силы тяжести, используя для этого другую жидкость, например анилин (коричневая ядовитая жидкость немного тяжелее воды).
Из бюретки, погруженной в воду, капли анилина образуются очень медленно — сначала на конце трубки появляется и медленно растет «мешок» из анилина, затем появляется тонкая шейка и капля быстро отрывается, после чего шейка превращается в меньшую каплю, которая следует за первой (фиг. 110, е).[67] Если прибор встряхнуть, висящая капля начнет колебаться.
Опыт 6. Иногда на поверхности воды плавают небольшие предметы, которые, казалось бы, должны были бы потонуть, например слегка намазанные жиром иглы или лезвие бритвы, некоторые виды водяных жуков (фиг. 110, ж). Такое впечатление, что их поддерживают какие-то необычные силы.
Фиг. 110.Поверхностное натяжение.
>а — вытекание капли из очень узкого крана; б — небольшие лужицы жидкости на стекле; в — семейство капель на столе; г — радуга, созданная круглыми каплями дождя; д — старинная дроболитейная башня; е — образование капель анилина и воды; ж — примеры плотных тел, плавающих на поверхности жидкости.
Мыльные пленки. Поверхностные свойства жидкостей удобно наблюдать на мыльных пузырях и пленках, которые «состоят только из поверхности и не имеют внутренности» и вес которых слишком мал, чтобы он мог противостоять поверхностным силам. На фиг. 111 схематически изображены соответствующие опыты.
Опыт 7. Мыльный пузырь на воронке сжимается, задувая пламя свечи (фиг. 111, а).
Опыт 8. «Оконная штора». На проволочной рамке, нижний край которой подвижен, создается мыльная пленка. Ее растягивают, спуская за нить скользящую часть шторы вниз, а затем нить отпускают (фиг. 111, б).
Опыт 9. На квадратной проволочной рамке создают мыльную пленку. На пленку кладут шелковую нить, связанную в виде небольшой петли (фиг. 114, в). Затем пленку внутри петли разрывают.
Опыт 10. Опыт «оконная штора» повторяют с помощью рамки, имеющей подвижные стержни сверху и снизу (фиг. 111, г). Верхний стержень удерживается небольшой пружиной. Мыльная пленка создается между двумя стержнями, после чего нижний стержень двигают с помощью нити вверх и вниз.
Опыт 11. На концах Т-образной трубки выдувают два мыльных пузыря разного размера (фиг. 111, д). Затем конец, через который производили выдувание, закрывают, и оба пузыря остаются соединенными.
Фиг. 111.Мыльные пузыри.
Задача 2
Запишите ваши наблюдения о каждом из описанных опытов, а затем скажите, какие выводя можно сделать из них относительно мыльных пленок и их «поверхностного натяжения». (Замечание. Плоская фигура с максимальной площадью при заданном периметре есть круг.) Предупреждение. Важное следствие из опыта 8 исключает простейшее объяснение опыта 11.
Общие пояснения
Что говорят эти опыты о поверхностях жидкостей? Капли, образующиеся в водопроводном кране, выглядят так, как будто они заключены в резиновый мешок.
Взяв настоящую оболочку из тонкой резины, мы можем сделать большую искусственную «каплю», которая по мере того, как внутрь оболочки будет вливаться все больше воды, примет форму реальной капли; однако возрастающее натяжение резины помешает точной аналогии.
Капли дождя и лужицы жидкости на столе, по-видимому, стремятся принять круглую форму, что также наводит на мысль об оболочке, которая сжимает их и противодействует силе тяжести.
Обдумав эти наблюдения, можно сделать два вывода, расплывчатых и рискованных, но заслуживающих дальнейшей проверки.
А. Поверхности жидкостей ведут себя так, будто их удерживает эластичная оболочка, стремящаяся придать им круглую форму.
Б. «Эффект оболочки» более заметен при малых размерах (маленькие капли), чем при больших (лужи воды), но когда сила тяжести уравновешена другими силами, он проявляется и при больших размерах.
Классификация и терминология
Поверхностное натяжение. Все описанные явления называют «эффектами поверхностного натяжения» и говорят, что жидкость имеет поверхностное натяжение, подобное натяжению растянутой резиновой оболочки. Пока это просто удобное название, которое само по себе не может ничего доказать или объяснить. В лучшем случае оно стимулирует обсуждение и позволяет легко определить, о чем идет речь. В худшем случае — приводит людей к неправильной мысли о том, что на поверхности существует реальная пленка, которую можно содрать с капли, как шнурку с кролика.
Краевой угол. По своей форме лужицы жидкости на столе делятся на два типа.
1) Когда жидкость прилипает к столу и растекается, как на фиг. 112, а, говорят, что жидкость смачивает поверхность стола.
2) Когда жидкость собирается в округлую каплю вопреки действию силы тяжести, как показано на фиг. 112, б, говорят, что она не смачивает поверхности. Если стол наклонить, то такие капли будут скатываться.
