Контрольні питання

1. Природа явища в’язкості.

2. Закон Ньютона для в’язкої течії рідини.

3. Будова і робота віскозиметра Оствальда.

4. Від чого і як залежить швидкість витікання рідини?

5. Вивести формулу для відносної похибки.

Рекомендована література

1. Кравець В.І. “Біофізика”. Посібник для студентів університетів спеціальності “біологія”. Івано-Франкiвськ, 2005, 256 с. ─ с.46-47.

2. Волькенштейн М.В. Биофизика. – М.: Наука, 1981, – 576с. ─ c.80.

Лабораторна робота №4. Дослідження поверхневого натягу біологічних рідин.

Мета: Вивчити закономірності поверхневого натягу та методи визначення коефіцієнта поверхневого натягу.

Теоретичний вступ

Розташування молекул у рідинах характеризується ближнім порядком, тобто їх впорядкованим розташуванням на відстанях, порівнянних з міжатомними. Кожна молекула в рідині протягом деякого часу коливається біля певного положення рівноваги, після чого стрибкоподібно змінює своє положення. З підвищенням температури частота коливного руху різко збільшується, зростає рухливість молекул, що, в свою чергу, зумовлює зменшення в’язкості рідин.

В сфері молекулярної дії на неї діють сили притягання збоку сусідніх молекул. Ці сили напрямлені в різні боки і в середовищі компенсуються, тому результуюча сила дорівнює нулю. Інакше відбувається з поверхневими молекулами. Оскільки концентрація молекул над поверхнею рідини значно менша, ніж в рідині, то рівнодійна сила не дорівнює нулю і напрямлена до середини рідини. Таким чином, результуючі сили всіх молекул поверхневого шару створюють тиск, який називається молекулярним або внутрішнім.

Молекули поверхневого шару рідини мають більшу потенціальну енергію, ніж молекули всередині рідини. Ця додаткова енергія, яку називають поверхневою, пропорційна площі поверхні:

де σ ─ коефіцієнт поверхневого натягу, який залежить від природи рідини і її температури. Поверхневий натяг з підвищенням температури зменшується.

Оскільки рівноважний стан характеризується мінімумом потенціальної енергії, то рідина при відсутності зовнішніх сил буде приймати таку форму, щоб при заданому об’ємі вона мала мінімальну поверхню, тобто форму кулі. Якщо рідина не має такої форми, то вона намагається скоротити площу вільної поверхні під дією сил, що виникають на її поверхні. Ці сили називаються силами поверхневого натягу:

де l ─ довжина контуру, що обмежує вільну поверхню рідини. Коефіцієнт поверхневого натягу σ вимірюється в Н/м. Для більшості рідин при кімнатній температурі він приймає значення в межах від 0,01 до 0,1 Н/м.

Якщо поверхня рідини не плоска, а викривлена, то вона створює на рідину додатковий тиск. Цей тиск, створюваний силами поверхневого натягу, для випуклої поверхні додатній, а для ввігнутої ─ від’ємний.

Можна досить просто показати, що додатковий тиск на рідину, створюваний силами поверхневого натягу і зумовлений кривизною поверхні, буде:

Якщо поверхня ввігнута, то тиск всередині рідини менший, ніж у газі над її поверхнею на величину Δр.

Ці випадки є частинним проявом формули Лапласа, яка визначає надлишковий тиск для довільної поверхні двоякої кривизни:

де R₁ і R₂ ─ радіуси кривизни будь-яких двох взаємно перпендикулярних нормальних перерізів поверхні рідини в даній точці. Радіус кривизни додатній, якщо центр кривизни відповідної поверхні знаходиться всередині рідини, якщо ні ─ то від’ємний.

Якщо помістити капіляр одним кінцем у рідину, налиту в широку посудину, то внаслідок змочування або незмочування рідина в капілярі або підніметься над загальним рівнем рідини в посудині, або ж опуститься. Це явище називається капілярним. Рідина в капілярі підніметься або опуститься за рахунок додаткового тиску Лапласа. Якщо поверхня рідини в капілярі (меніск) ввігнута, то додатковий тиск в рідині буде її піднімати доти, поки цей тиск не зрівноважиться гідростатичним. Висоту підняття рідини можна обчислити за формулою:

, звідки

де θ ─ крайовий кут,

r ─ радіус капіляра.

Капілярні явища відіграють велику роль у природі і техніці.

Коефіцієнт поверхневого натягу можна визначити методом відриву краплі, відриву кільця, підняття рідини в капілярі.