Почему капля воды круглая. Почему капля воды имеет форму шара. Итак, капля воды, как она есть — это стечение обстоятельств
Глубокая осень. Дни становятся всё короче и короче. Солнце выглянет на минуту из-за тяжёлых туч, скользнёт по земле своим косым лучом и снова скроется. Холодный ветер свободно гуляет по опустевшим полям и обнажённому лесу, выискивая где-нибудь ещё уцелевший цветок или прижавшийся к ветке лист, чтобы сорвать его, высоко поднять и потом бросить в ров, канаву или борозду. По утрам лужи уже покрываются хрустящими льдинками. Только глубокий пруд все ещё не хочет замёрзнуть, и ветер по-прежнему рябит его серую гладь. Но вот уже замелькали пушистые снежинки. Они подолгу крутятся в воздухе, как бы не решаясь упасть на холодную неприветливую землю. Идёт зима.
Тонкая корка льда, образовавшегося сначала у берегов пруда, ползёт на середину к более глубоким местам, и вскоре вся поверхность покрывается чистым прозрачным стеклом льда. Ударили морозы, и лёд стал толстым, чуть не в метр. Однако до дна ещё далеко. Подо льдом даже в сильные морозы сохраняется вода. Почему же глубокий пруд не промерзает до дна? Обитатели водоёмов должны быть благодарны за это одной из особенностей воды. В чём же заключается эта особенность?
Известно, что кузнец сначала нагревает железную шину, а затем надевает её на деревянный обод колеса. Охладившись, шина сделается короче и плотно обожмёт обод. Рельсы никогда не укладываются плотно друг к другу, иначе, нагревшись на солнце, они обязательно изогнутся. Если налить полную бутылку масла и поставить её в тёплую воду, то масло станет переливаться через край.
Из этих примеров ясно, что при нагревании тела расширяются; при охлаждении они сжимаются. Это справедливо почти для всех тел, но для воды этого нельзя утверждать безоговорочно. В отличие от других тел вода при нагревании ведёт себя по-особому. Если при нагревании тело расширяется, значит, оно становится менее плотным, - ведь вещества в этом теле остаётся столько же, а объём его увеличивается. При нагревании жидкостей в прозрачных сосудах можно наблюдать, как более тёплые и потому менее плотные слои поднимаются со дна вверх, а холодные опускаются вниз. На этом основано, между прочим, устройство водяного отопления с естественной циркуляцией воды. Остывая в радиаторах, вода становится плотнее, опускается вниз и поступает в котёл, вытесняя вверх уже нагретую там и потому менее плотную воду.
Подобное движение происходит и в пруду. Отдавая своё тепло холодному воздуху, вода охлаждается с поверхности пруда и, как более плотная, стремится опуститься на дно, вытесняя собой нижние тёплые, менее плотные слои. Однако такое движение будет совершаться только до тех пор, пока вся вода не остынет до плюс 4 градусов. Собравшаяся на дне при температуре 4 градуса вода уже не будет подниматься вверх, хотя бы поверхностные её слои и имели температуру более низкую. Почему?
Вода при 4 градусах имеет самую большую плотность. При всех других температурах - выше или ниже 4 градусов - вода оказывается менее плотной, чем при этой температуре.
В этом и заключается одно из отступлений воды от закономерностей, общих для других жидкостей, одна из её аномалий (аномалия - это отклонение от нормы). Плотность всех других жидкостей, как правило, начиная от температуры плавления, при нагревании уменьшается.
Что же произойдёт дальше при остывании пруда? Верхние слои воды становятся всё менее и менее плотными. Поэтому они остаются на поверхности и при нуле градусов превращаются в лёд. По мере дальнейшего остывания корка льда растёт, а под ним по-прежнему находится жидкая вода с температурой, лежащей между нулём и 4 градусами.
Здесь, вероятно, у многих возникает вопрос: почему же нижняя кромка льда не тает, если она находится в соприкосновении с водой? Потому, что тот слой воды, который непосредственно соприкасается с нижней кромкой льда, имеет температуру нуль градусов. При этой температуре одновременно существуют и лёд и вода. Для того чтобы лёд превратился в воду, необходимо, как увидим дальше, значительное количество тепла. А этого тепла нет. Лёгкий слой воды с температурой в нуль градусов отделяет ото льда более глубокие слои тёплой воды.
Но представьте теперь себе, что вода ведёт себя так, как большинство других жидкостей. Достаточно было бы незначительного мороза, как все реки, озёра, а может быть и северные моря, в течение зимы промёрзли бы до дна. Многие из живых существ подводного царства были бы обречены на гибель.
Правда, если зима очень продолжительна и сурова, то многие не слишком глубокие водоёмы могут промёрзнуть до дна. Но в наших широтах это наблюдается крайне редко. Промерзанию воды до дна препятствует и сам лёд: он плохо проводит тепло и защищает собой нижние слои воды от охлаждения.
Мы привыкли к мысли о том, что капля имеет форму шара. На самом деле она почти никогда не является шаром, хотя эта форма обеспечивает наименьший объем.
Капля, покоящаяся на горизонтальной поверхности сплющена.
Сложную форму имеет падающая в воздухе капля. И только капля, находящаяся в состоянии невесомости принимает совершенно сферическую форму.
Создать условия, близкие к состоянию невесомости можно, если скомпенсировать силу тяжести выталкивающей силой.
В моем опыте я использовала обычное растительное масло и воду. Так как плотность масла немного меньше плотности воды, то действие силы тяжести ослабевает и можно наблюдать разные стадии образования капли и ее отрыва.
В момент образования капли она приобретает вытянутую форму, т. к. несмотря на силы поверхностного натяжения, которые стремятся придать капле сферическую поверхность, сила тяжести, стремится расположить центр масс капли как можно ниже. Вытянутая форма – результат этих усилий.
По мере роста капли, ее основная масса собирается внизу и у капли появляется шейка.
Сила поверхностного натяжения направлена в противоположно силе тяжести. И в момент, когда сила тяжести хотя бы на немного превосходит силы поверхностного натяжения капля отрывается. Шейка в этот момент быстро сужается и капля отрывается.
При этом от шейки отрывается маленькая капелька, которая падает вслед за большой.
Наблюдая за процессом образования капель, я заметила, что маленькие капельки имеют форму шариков, а большие – вытянутые вдоль горизонтальной оси.
Чтобы объяснить это явление, попробуем определить радиус капли, при котором она перестает быть сферичной.
При равномерном движении капли сила тяжести должна быть уравновешена силами поверхностного натяжения.
А для этого необходимо выполнение условия:
ρgh = σ(/R (1), где ρgh – гидростатическое давление жидкости.
Здесь h = 2R; σ(/R – лапласовское давление внутри капли.
Здесь следует учесть, что σ(= 2σ (коэффициент поверхностного натяжения).
Перепишем уравнение (1) с учетом этих значений и выразим предельный радиус капли 2Rgρ = 2R²g ρ= 2σ R= =
Подставим численные значения в эту формулу:
(= 7,4 * 10н/м (= 1000 g = 10
R = = 2,7*10м = 2,7 мм
Это значит, что капелька воды будет иметь сферическую форму, если ее радиус не превышает 3 мм. На не смачиваемой поверхности капля сохраняет сферическую форму благодаря силам поверхностного натяжения. Но если гидростатическое давление становится больше лапласовского, капля растекается и дробится на более мелкие.
Аналогичный расчет можно сделать и для других жидкостей. Например, для керосина и ртути предельный радиус сферической капли (2 мм, для спирта – 1,7 мм.
Теперь понятно, почему капли не бывают слишком крупными.
Cтраница 2
Капля жидкости может растекаться по поверхности, если поверхность хорошо смачивается, а если поверхность плохо смачивается, то капля растекаться не будет.
Капля жидкости, находящаяся на поверхности твердого тела, может либо растекаться в тонкую пленку, либо оставаться на поверхности в виде линзы.
Капля жидкости, нанесенная на твердую поверхность, не сразу образует на ней краевой угол постоянного значения.
Капля жидкости растекается на твердой поверхности под воздействием притяжения молекул жидкости к молекуле твердого тела, в том числе по периметру капли на расстоянии действия молекулярных сил, а также под воздействием силы тяжести. Препятствуют растеканию когезионные силы притяжения молекул жидкости друг к другу. Растекание масел с присадками на металлических поверхностях часто происходит в несколько стадий.
Каплю жидкости (по прибавлении капли воды и охлаждении) смешивают с раствором дифениламина в концентрированной серной кислоте.
Каплю жидкости А помещают на серебряную монету. Быстрое появление коричнево-черного пятна, несмываю-щегося водой, указывает на присутствие серы.
Небольшую каплю жидкости, содержащей клетку, помещают на отшлифованный край капилляра камеры и с помощью микроскопа наблюдают клетку. Если клетка свободно плавает в жидкости, как, например, в случае Paramecium, то ее можно быстро внести внутрь трубки; в противном случае ее следует внести в капилляр с помощью тонкой иглы. После того как клетка внесена в капилляр, воду или жидкость, в которой находилась клетка, вытирают и с помощью смазанного тонким слоем вазелина покровного стекла закрывают отверстие камеры. Помещают трубку в воду внутреннего дьюаровского стакана и снова заполняют чашку раствором едкого натра. После того как приблизительно через час температурное равновесие будет достигнуто, тонкой пипеткой удаляют раствор щелочи из чашки и протирают ее ватным тампоном. Еще через час вводят мениск в поле зрения микроскопа. Увеличение микроскопа должно быть таким, чтобы в поле зрения укладывалось приблизительно 100 диаметров капилляра. В окуляр микроскопа должен быть вставлен окулярный микрометр. Наблюдают скорость перемещения мениска и записывают ее в единицах деления микрометрической шкалы. В процессе измерения периодически наблюдают за температурой и давлением; если они заметно меняются, результаты измерений считают ненадежными и отбрасывают.
Если капля жидкости образуется в результате инжекции газом, то возникающая внутри ее турбулентность столь велика, что диффузионное сопротивление ее поверхностного слоя оказывается весьма малым. Использование принципа инжекции позволяет осуществлять процесс абсорбции с большой степенью интенсивности.
Почему капля жидкости стремится иметь форму шара.
Если капля жидкости помещена в турбулентный поток несмешивающейся с ней жидкости, то возникает ее дробление под воздействием турбулентных пульсаций. При этом крупномасштабные пульсации, сравнительно мало изменяющиеся на расстояниях порядка размеров капли, не оказывают на нее воздействие; деформация и дробление производятся мелкомасштабными пульсациями. Эффект дробления в значительной степени зависит от того, что в турбулентном потоке скорость жидкости внешней фазы у поверхности глобул в двух ее точках будет различна.
Если капля жидкости покоится на поверхности, не смачиваемой этой жидкостью, то она сплющивается под действием тяготения. Однако поверхностное натяжение удерживает каплю от бесконечного уплощения, поскольку уплощение означает увеличение площади поверхности.
Если капля жидкости помещается на поверхности другой, несмешивающейся с ней жидкости или твердого тела, то она может либо растечься, либо остаться в виде нерастекающейся капли. Это всецело зависит от поверхностных натяжений обеих жидкостей и от межфазного натяжения между ними; то же самое справедливо, если нижняя фаза является твердым телом.
Наверняка вы обращали внимание, что хаотично разбросанные капли всегда имеют круглую форму. Почему капля круглая?
Если внимательно присмотреться, то увидим, что форма капли вовсе не идеально круглая. Например, если смотреть снизу на капли дождя, то они кажутся почти плоскими. Идеальный шар возможен лишь в условиях невесомости. А поскольку мы находимся на Земле, капля (как и все тела на нашей планете) подвергается воздействию силы притяжения . Это делает ее слегка сплюснутой. Поэтому по форме капля скорее не шар, а эллипсоид, хотя и с очень малым межфокальным расстоянием.
Какая еще сила, кроме силы притяжения, действует на каплю? Сила поверхностного натяжения. Чтобы объяснить, как она действует, обратимся к курсу молекулярной физики. Поверхность капли можно рассматривать как пленку, состоящую из молекул, причем молекулы ее внешних слоев находящихся не в равных условиях с молекулами внутренних. Молекулы внешнего слоя пленки обладают большей свободной энергией. Стремясь сбросить избыток энергии и пытаясь проникнуть во внутренние слои капли, они создают давление. Вектор силы давления всегда направлен к центру капли. А та сила, с которой молекулы внешних слоев капли давят на молекулы внутренних слоев, называется силой поверхностного натяжения .
Таким образом, чем меньше капли, тем они более круглые — их собирает в шар сила поверхностного натяжения. А вот капли побольше имеют вытянутую форму, потому что они слишком тяжелые и этой силы уже недостаточно для того, чтобы удержать их в форме шара.
Но вопрос остается открытым: почему же все-таки шаровидная форма? Вышеизложенная теория не вполне это объясняет. Дело в том, что на шаровой поверхности все молекулы, находящиеся на ней, находятся в равном энергетическом состоянии. Другими словами, шаровая поверхность наиболее энергетически стабильна, поскольку системе именно такое положение наиболее выгодно. Вообще, шар — самая компактная форма в природе.
Если каплю растянуть, то молекулы, находящиеся на растянутых областях, приобретают более высокую избыточную энергию. Стремясь сбросить излишек энергии, молекулы снова возвращают каплю в исходное состояние, что в итоге приводит систему в равновесие.
Как следует из вышесказанного, поверхностное натяжение как бы держит воду в упругой «кожице» — оболочке. Эта оболочка заставляет висеть каплю на конце водопроводного крана. Если же капля становится слишком большой, оболочка не выдерживает, рвется, и капля падает.
Именно благодаря силе поверхностного натяжения крошечное насекомое водомерка может ходить по поверхности воды, не погружаясь в нее. А ящерица василиск прямо по поверхности воды может спокойно перебежать речку или маленькое озерцо.
Можно ли сделать каплю воды плоской? Да, и очень просто. Надо аккуратно прикоснуться к ней кончиком намыленной соломинки. Капля становится плоской потому, что мыло ослабляет поверхностное натяжение воды — и его силы уже не хватает на то, чтобы удерживать капельку в форме шара.
Как получаются мыльные пузыри? Когда мы добавляем в воду мыло, сила поверхностного натяжения уменьшается, а поверхность воды как бы растягивается и становится более эластичной — настолько эластичной, что в нее можно вдуть воздух и при этом она растянется в пузырь. Это немного похоже на то, как если бы мы набрали воду в воздушный шарик.
Таким образом, капля воды не круглая, а эллипсоидная. Оболочки различных жидкостей имеют разную степень прочности. Например, спирт имеет меньшее поверхностное натяжение, чем вода, поэтому образует более мелкие капли. А ртуть, наоборот, имеет поверхностное натяжение в 6 раз больше, чем у воды, поэтому когда разбивается термометр, она распадается на множество мелких шариков.
Ещё одно свойство воды – поверхностное натяжение. Молекулы на поверхности воды, не имея над собой других молекул, связаны друг с другом значительно крепче. И это так называемое поверхностное натяжение позволяет некоторым существам, например, водомеркам, бегать по воде. А мы благодаря этому явлению можем пускать мыльные пузыри.
Результат:игла лежит на поверхности воды в стакане. Результат: игла лежит на поверхности воды в стакане. поверхностным натяжением Это потому, что молекулы на поверхности воды образуют плёнку, способную выдержать вес лёгкого тела. Это явление называется поверхностным натяжением. Оно стремится заключить воду как бы в мешочек. Если воды совсем мало, то поверхностное натяжение придаёт ей форму шара- капли.
Опыт 2. Форма капли С помощью пипетки нанесем на поверхность несколько капель воды и понаблюдаем за ее формойРезультат: 1 – 1капля: хорошо держится форма шара капель: вода растеклась по поверхности
