4. Сила поверхностного натяжения

Молекула М₁ расположена на поверхности жидкости и взаимодействует не только с молекулами внутри жидкости, но и с молекулами на поверхности жидкости, расположенными в пределах сферы молекулярного действия. Для молекулы М₁ равнодействующая молекулярных сил, направленных вдоль поверхности жидкости равна нулю, а для молекулы М₂, расположенной у края поверхности, R ≠ 0.

Из рис. 21 видно, что сила направлена по нормали к границе свободной поверхности жидкости и по касательной к самой поверхности.

Молекулярные силы, направленные вдоль поверхности жидкости, действуют на любую замкнутую линию на свободной поверхности жидкости по нормали к этой линии таким образом, что стремятся сократить площадь поверхности жидкости, ограниченную замкнутой линией.

рис. 21

Например, на проволочном кольце укрепляется нитка длиной l (рис. 22, а). Если затянуть кольцо мыльной плёнкой, то нитка свободно расположится на этой плёнке, т.к. молекулярные силы будут стремиться сократить площадь поверхности, ограниченную как верхним замкнутым кругом, так и нижним. Прорвём плёнку с нижней стороны нитки. Тогда молекулярные силы сократят поверхность, ограниченную верхним контуром, и натянут нитку (рис. 22, б).

рис. 22

Сила F_Н, обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение площади её свободной поверхности и направленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения.

Выясним, от чего зависит сила F_Н. На проволоке, изогнутой в виде буквы «П», укрепляют подвижную перемычку АВ (рис. 23). Рамку опускают в мыльный раствор. После вынимания рамки из раствора, перемычка перемещается вверх из положения 1 в положение 2 под действием сил поверхностного натяжения; l – длина перемычки.

Работа, совершаемая силами поверхностного натяжения при перемещении перемычки из 1 в 2

; (85)

с другой стороны (86)

рис. 23

Коэффициент «2» в обеих формулах нужен, т.к. у поверхности плёнки две линии соприкосновения с перемычкой.

(87),

тогда (88) –поверхностное натяжение равно силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости.

Значит, жидкость принимает форму, при которой её площадь свободной поверхности наименьшая, т.к. силы молекулярного давления втягивают молекулы с поверхности внутрь жидкости, а силы поверхностного натяжения сокращают площадь свободной поверхности, т.к. закрывают образовавшиеся «окна» на этой поверхности.

Вопросы для самоконтроля:

1. Определение времени оседлой жизни. От чего зависит это время?

2. Перечислите свойства жидкости.

3. Почему молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь жидкости?

4. Определение и причина возникновения молекулярного давления.

5. Определение свободной энергии поверхностного слоя жидкости.

6. Формула работы молекулярных сил по уменьшению площади свободной поверхности жидкости. От чего зависит работа молекулярных сил?

7. Определение, единица измерения и формула для расчёта коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

8. Определение и формула для расчёта силы поверхностного натяжения.

9. Почему воду можно налить в стакан выше его краёв?

10. Деревянный кружок, покрывающий воду легче снять, поднимая его не плашмя, а ребром. Почему?

11. На основании молекулярно-кинетической теории строения вещества объясните способность жидкостей принимать сферическую форму в невесомости.

12. Почему бывает трудно налить жидкость в пузырёк с узким горлом?

13. Некоторые насекомые могут свободно передвигаться по поверхности воды, как по твердой поверхности, другие, коснувшись воды или попав под её поверхность, не могут из неё выбраться и погибают. Как объяснить эти явления?