4. Можно ли бегать по поверхности воды?

Еще одна особенность воды – высокое поверхностное натяжение.

Опыт 1. Осторожно положите на поверхность воды небольшую швейную иголку. Если у вас один конец иглы был под наклоном, она окажется на дне. Выньте ее из воды, протрите сухой тряпкой и повторите опыт.

Опыт 2. Проделайте аналогичные действия, используя воду, в которой предварительно растворили небольшую порцию стирального порошка.

Опыт 3. На поверхность стекла нанесите по одной капле водопроводной и мыльной воды, рассмотрите, отличаются ли они по форме.

Опыт 4. Смочите водой две стеклянные пластинки (лучше всего два небольших зеркальца), наложите их друг на друга и попытайтесь разъединить. (Во избежание порезов края стекла должны быть предварительно обработаны наждачной бумагой.)

Объясним наблюдаемые факты.

Первый опыт, как правило, вызывает недоумение, ведь удельная масса металла значительно больше, чем у воды. Непотопляемость иголки объясняется тем, что молекулы воды связаны силами поверхностного натяжения. Оно уменьшается при добавлении порошка или других моющих средств, во втором опыте игла сразу оказывается на дне стакана. Многие загрязнители способны снижать поверхностное натяжение воды, делая ее непригодной и даже опасной для живой природы.

Если бы нам удалось заглянуть внутрь капли, то можно было бы увидеть, что силы, действующие между молекулами, уравновешивают друг друга. Однако на границе вода–воздух они проявляются только с одной стороны и как бы стягивают поверхность жидкости. Здесь важную роль начинает играть несимметричная конфигурация молекулы воды. Результат – молекулы H₂O как бы примагничивают друг друга и стремятся втянуться внутрь от поверхностного слоя. Именно поэтому капля на твердой поверхности всегда принимает шарообразную форму, но если вода загрязнена, форма капли изменяется. В третьем опыте мы получили экспериментальное подтверждение этому факту.

В четвертом опыте стеклянные пластинки, смоченные водой, удается разъединить, приложив большие усилия, т.е. силы поверхностного натяжения достаточно велики. Благодаря им вода легко поднимается по капиллярным каналам почвы на поверхность Земли, движется в тканях растений и в клетках живых организмов. Из всех известных в настоящее время жидкостей по силе поверхностного натяжения вода уступает только ртути. О том, насколько велики силы поверхностного натяжения воды, свидетельствуют наблюдения за скольжением водомерок по ее поверхности.

В природе случается, что вода задерживается в скальных породах и образует гидраты с минеральными веществами, придавая им красивейшие оттенки. Ювелирам остается лишь обработать такие минералы и одеть их в соответствующую оправу. Без воды многие драгоценные камни утратили бы значительную долю красоты и неповторимости. Достаточно упомянуть один из величайших камней Алмазного фонда Кремля – розовую шпинель, украшающую корону Российской империи.

Вы видите его проявление всякий раз, когда наблюдаете, как вода медленно капает из водопроводного крана. Из крана появляется водяная пленка и начинает растягиваться, словно тонкая резиновая оболочка, под тяжестью заключенной в ней жидкости. Эта пленка, прикрепленная к отверстию крана, постепенно удлиняется, пока ее вес не станет вдруг слишком большим. Пленка, однако, не рвется, как порвалась бы резника при перегрузке. Вместо этого она "соскальзывает" с копчика крана и, как бы охватив небольшое количество воды, образует свободно падающую капельку. Несомненно, вы не раз наблюдали, что падающие капельки принимают почти шарообразную форму. Если бы не было внешних сил, они были бы строго шарообразны. То, что вы наблюдаете, является одним из проявлений необычной способности воды "стягиваться", "самоуплотняться", или, другими словами, ее способность к сцеплению (когезии). Капля воды, капающая из крана, стягивается в крошечный шар, а шар из всех возможных геометрических тел обладает наименьшей поверхностью при данном объеме.

Вследствие сцепления на поверхности воды образуется натяжение, и для того, чтобы разорвать поверхность воды, требуется физическая сила, причем, как это ни странно, довольно значительная. Ненарушенная водная поверхность может удерживать на себе предметы, которые значительно "тяжелее" воды, например стальную иголку или лезвие бритвы, или некоторых насекомых, которые скользят по воде, словно это не жидкость, а твердое тело.

Из всех жидкостей, кроме ртути, у воды самое большое поверхностное натяжение.

Внутри жидкости притяжение молекул друг к другу уравновешено. А на поверхности нет. Молекулы воды, которые лежат глубже, тянут вниз самые верхние молекулы. Поэтому капля воды как бы стремится максимально сжаться. Стягивают ее силы поверхностного натяжения.

Физики точно рассчитали, какую гирю надо подвесить к столбику воды толщиной в три сантиметра, чтобы разорвать его. Гиря потребуется огромная - больше ста тонн! Но это когда вода исключительно чистая. В природе такой воды нет. Всегда в ней что-то растворено. Пусть хоть немного, но чужеродные вещества разрывают звенья в прочной цепи молекул воды, и силы сцепления между ними уменьшаются.

Если нанести на стеклянную пластинку капли ртути, а на парафиновую - капли воды, то очень маленькие капельки будут иметь форму шара, а более крупные окажутся слегка сплюснутыми под действием силы тяжести.

Подобное явление объясняется тем, что между ртутью и стеклом, а также между парафином и водой возникают силы притяжения (адгезия) меньшие чем между самими молекулами (когезия). При соприкосновении воды с чистым стеклом, а ртути с металлической пластинкой мы наблюдаем почти равномерное распределение того и другого вещества на пластинках, так как силы притяжения между стеклом и молекулами воды, металлом и молекулами ртути больше, чем притяжение между отдельными молекулами воды и ртути. Такое явление, когда жидкость равномерно располагается на поверхности твёрдого тела, называется смачиванием. Значит, вода смачивает чистое стекле, но не смачивает парафин. Смачиваемость в частном случае может показать степень загрязнённости поверхности. Например, на чисто вымытой тарелке (фарфоровой, фаянсовой) вода растекается ровным слоем, в чисто вымытой колбе стенки равномерно покрываются водой, если же вода на поверхности принимает форму капель, то это указывает, что поверхность посуды покрыта тонким слоем вещества, которое не смачивает вода, чаще всего жиром.

• Оригинальна и еще одна характеристика воды – ее вязкость. Обычно с повышением давления вязкость вещества увеличивается, а с ростом температуры уменьшается. Вода и здесь шагает не в ногу со всеми. Ее вязкость с ростом давления при температуре ниже 30 °С значительно уменьшается. По мере повышения давления вязкость воды проходит через минимум и только потом начинает увеличиваться.