2. Поверхностное натяжение

Молекулы жидкости располагаются друг от друга на таких расстояниях, чтобы силы отталкивания между ними компенсировались силами давления поверхностного слоя. Надо полагать, что расстояния между молекулами поверхностного слоя увеличиваются по мере приближения к поверхности жидкости. Тогда силы притяжения молекул, расположенных на одной горизонтали в поверхностном слое, несколько больше соответствующих сил отталкивания.

Итак, предположим, что вдоль поверхности жидкости действуют силы поверхностного натяжения – молекулярные силы притяжения, направленные перпендикулярно любому контуру l на этой поверхности, стремящиеся уменьшить ее площадь.

Эти силы притяжения действуют между молекулами, расположенными на одинаковой глубине в поверхностном слое, и уменьшают его площадь. Силы поверхностного натяжения максимальны у поверхности жидкости и постепенно уменьшаются до нуля на глубине, равной радиусу молекулярного действия.

На проволочном прямоугольнике свободно расположено проволочное «седло» (рис. 2.5). Погрузив прямоугольник в мыльный раствор, получаем мыльную пленку, которая силами поверхностного натяжения поднимает «седло» с привязанным к нему небольшим грузом. Можно растянуть пленку, она будет квазиупруго²⁶ деформироваться. Измерив силу 2F, разделим ее на длину 2l контура (на проволоку действуют две силы F – со стороны, ближайшей к читателю, и с противоположной, приложенные к двум длинам l). Получим коэффициент поверхностного натяжения – величину, измеряемую отношением силы поверхностного натяжения к длине контура, на которую она действует:

Мы уже отмечали, что для увеличения поверхности жидкости необходимо совершить работу. Теперь мы можем ее подсчитать. Пусть, например, проволочное «седло» (рис. 2.5) под внешним воздействием опустилось на , растянув пленку на площадь . При этом силы поверхностного натяжения совершили работу (напомним, что увеличились обе поверхности пленки и работали силы поверхностного натяжения с двух сторон проволоки).

За счет работы внешних сил увеличилась потенциальная энергия жидкости на . Соответствующее изменение потенциальной энергии произойдет при уменьшении поверхности жидкости, когда положительную работу совершат силы поверхностного натяжения. Теперь можно определить коэффициент поверхностного натяжения как величину, измеряемую отношением изменения потенциальной энергии при изотермическом расширении поверхности жидкости к соответствующему изменению площади поверхности. Этот коэффициент зависит от рода жидкости, наличия примесей, температуры.

Итак, на любой элемент длины, расположенный в плоской поверхности жидкости (так, что жидкость расположена по обе его стороны), действуют уравновешивающие силы поверхностного натяжения.

3. Лапласово давление

Если по каким-то причинам поверхность жидкости изгибается, то появляется равнодействующая сил поверхностного натяжения, направленная к центру кривизны. Силы поверхностного натяжения в этом случае приводят к появлению добавочного лапласова давления, направленного к центру кривизны изогнутой поверхности.

Чтобы найти это давление, представим себе элемент изогнутой поверхности радиусом R (рис. 2.6). На его границу – окружность радиусом r – действуют силы поверхностного натяжения , составляющие которых действуют по нормали на площадь круга . Следовательно, лапласово давление

Сумму сил поверхностного натяжения можно найти из определения соответствующего коэффициента: . Значит,

Но , поэтому

Благодаря этому давлению может лежать на поверхности воды стальная бритва.