Поверхностное натяжение

Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики.
Уильям Томсон
Мыльный пузырь –
самое красивое и самое совершенное, что существует в природе.
Марк Твен

У жидкости есть свободная поверхность
Равнодействующая сил, действующая на каждую молекулу на поверхности жидкости, будет направлена вглубь жидкости, перпендикулярно поверхности.
И поверхностные молекулы втягиваются внутрь жидкости.

Формы минимальных поверхностей жидкостей
Жидкость в свободном состоянии принимает форму шара
Мыльные пленки на каркасах

Примеры минимальных поверхностей в природе
барабанная перепонка в нашем ухе
мембраны, служащие границами живых клеток;
мембраны в живых организмах, отделяющие один орган от другого
скелеты радиолярий, микроскопических морских животных.

Энергия поверхностного слоя
Молекулы поверхностного слоя обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией, т.е. поверхностной энергией
Еп =σS
(σ- коэффициент поверхностного натяжения)
Жидкость принимает такую форму при которой эта энергия будет иметь минимальное значение, а ее площадь оказывается минимальной для данного объема жидкости.

Механизм возникновения поверхностного натяжения
Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то на ней образуется пленка жидкости.
Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки и направлены наверх.

Условие равновесия подвижной стороны рамки
Fвнеш = Fпов
работа внешней силы при перемещении рамочки на ΔΧ будет равна
Авнеш = Fвнеш ΔΧ = ΔΕп = σΔS.
ΔS = ΔΧ 2L=ΔXl –приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки, где l = 2L – длина периметра, ограничивающего поверхность жидкости.
FΔΧ = σlΔΧ , тогда σ= Fпов /l

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости
σ = Fпов /l
Коэффициентом поверхностного натяжения называется отношение модуля силы поверхностного натяжения к длине периметра, ограничивающего поверхность жидкости.
σ- зависит от:
- Рода жидкости
- Наличия примесей
- Температуры

σчистой воды = 73 мН/м
σмыльного раствора = 40 мН/м

Сечение сферической капли жидкости
Половина капли находится в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе раздела длиной 2πR и сил избыточного давления, действующих на площадь сечения πR2
σ2πR = ΔрπR2

Формула Лапласа
Избыточное давление, вызванное одной искривленной поверхностью (внутри капли жидкости)
Δр = 2σ/R
Избыточное давление внутри мыльного пузыря (он имеет две искривленные поверхности)
Δр = 4σ/R

Мыльный пузырь – тонкая многослойная пленка мыльной воды,
наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой
поверхностью.

Капельная модель ядра состоит из протонов и нейтронов и имеет сферическую форму

Поверхностное натяжение в природе и жизни

Водомерки легко скользят по поверхности воды. Лапка водомерки, покрытая воскообразным налётом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление.