6. Поверхностное натяжение. Капиллярный эффект.

Поверхностное натяжение (капиллярность) – свойство, обусловленное силами взаимного притяжения, возникающими между частицами (молекулами) жидкости. Под действием этих сил поверхность жидкости как бы покрывается равномерно напряженной тонкой пленкой, стремящейся придать объему жидкости форму с минимальной поверхностью. Силы поверхностного натяжения развивают молекулярное давление в жидкости, нормальное к ее поверхности. Влиянием поверхностного натяжения обычно пренебрегают. Однако при изучении потоков с малой глубиной, в капиллярных трубках некоторых измерительных приборов, при решении ряда задач на фильтрацию его необходимо учитывать, так как силой поверхностного натяжения объясняется капиллярное поднятие или опускание жидкости на высоту, определяемую по зависимости

где – коэффициент поверхностного натяжения;– диаметр капилляра, м;– угол между касательной к свободной поверхности в точке пересечения со стенкой и самой стенкой капилляра (для воды и стекла= 0° для ртути и стекла= 50°).

Коэффициенты поверхностного натяжения (Н/м) некоторых жидкостей при температуре 20°С: Вода 0,073; Масла и нефть 0,025-0,031; Бензол 0,029; Ртуть 0,49; Спирт 0,0225;

C явлением капиллярности приходится сталкиваться при использовании стеклянных трубок в приборах для измерения давления, а также в некоторых случаях истечения жидкости. Большое значение приобретают силы поверхностного натяжения в жидкости, находящейся в условиях невесомости.

Если жидкость находится в сосуде, то у стенок сосуда она может подниматься или опускаться относительно общего уровня. Это зависит от свойств жидкости и материала сосуда. Например, вода в стеклянном сосуде около его стенок поднимается. В этом случае говорят, что вода смачивает стекло. Наоборот поверхность ртути в стеклянном сосуде у его стенок несколько опускается, т.е. ртуть не смачивает стекло. Явление смачивания (не смачивания) зависит от того, что сильнее: взаимодействие между молекулами жидкости (когезия) или взаимодействие между молекулами жидкости и молекулами материала сосуда (адгезия).

7. Классификация сил, действующих на жидкость.

Силы, действующие в жидкости, принято делить на внешние и внутренние. Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия частиц жидкости, они являются парными и их сумма всегда равна нулю. Вследствие текучести жидкости в ней не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно лишь действие внешних сил, непрерывно распределенных по ее объему (массе) или по поверхности. В связи с этим внешние силы разделяют на массовые (объемные) и поверхностные.

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньютона пропорциональны массе жидкости или, для однородной жидкости, - её объёму. К ним относятся: сила тяжести, сила инерции переносного движения, действующая на жидкость при относительном её покое в ускоренно движущихся сосудах или при относительном движении жидкости в руслах, перемещающихся с ускорением.

Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и при равномерном их распределении пропорциональны площади этой поверхности. Эти силы обусловлены непосредственным воздействием соседних объёмов жидкости на данный объём или же воздействием других тел (твёрдых или газообразных), соприкасающихся с данной жидкостью. Как следует из третьего закона Ньютона, с такими же силами, но в противоположном направлении, жидкость действует на соседние с нею тела.

В общем случае поверхностная сила DR, действующая на площадке DS, направлена под некоторым углом к ней, и ее можно разложить на нормальную DP и тангенциальную DT составляющие (рис.). Первая, если она направлена внутрь объема, называется силой давления, а вторая – силой трения.