Поверхностное натяжение воды опыты для детей: Эксперименты с водой и ее поверхностью

Эксперименты с водой и ее поверхностью

Очень простые безопасные опыты и эксперименты для детей с водой в домашних условиях для изучения свойств воды (поверхностное натяжение).

Эксперименты и опыты – это очень увлекательное и полезное занятие, которое позволяет детям больше узнать о мире, в котором мы живем, его законах, а в данном случае, о свойствах воды.

Уже в среднем дошкольном возрасте ребенок знает, что чистая вода жидкая (но она не всегда бывает жидкой, потому что лед и пар – это другие состояния воды), прозрачная, бесцветная, не обладающая вкусом. Красивые снежинки – это тоже одна из форм воды. Но это еще не все ее свойства, обо всех свойствах воды до сих пор неизвестно даже ученым.

Вода – это одно из самых удивительных веществ на нашей планете, без нее не смогут жить ни человек, ни животные, ни растения (подробнее о том, почему вода необходима растениям и как с ее помощью происходит их питание – в статье “Как покрасить цветы (опыт, эксперимент или фокус для детей)”).

Опыты и эксперименты с водой: поверхностное натяжение воды

Большой плюс экспериментов из этой статьи в том, что их можно выполнять и в домашних условиях, и в детском саду, и в школе. Для их проведения понадобится только вода и то, что обычно есть в доме. Кроме доступных материалов, они настолько простые, что дети и дошкольного возраста, и школьники справятся с этим совершенно самостоятельно.

В результате дети узнают о таком свойстве воды, как поверхностное натяжение, т.е. способность воды образовывать на поверхности очень тонкую пленку. Причем эту пленку дети увидят собственными глазами.

Эксперимент (опыт) с водой и монеткой

Как вы думаете, сколько капелек воды поместится на обычной монетке? Этот эксперимент покажет, что поверхность воды может растягиваться.

Что понадобится:

• вода, блюдце, монетка, пипетка (или флакон с дозатором из-под лекарств)

Ход эксперимента:

1. Положить монетку на блюдце, а блюдце – на очень ровную поверхность. То есть если блюдце будет стоять на столе, хоть немного наклоненном на одну сторону, эксперимент закончится гораздо раньше, чем мог бы, и будет менее зрелищным.
2. В пипетку набрать воды (вместо пипетки мы с дочкой взяли пустой флакончик из-под капель от насморка, сильно его сжали, чтобы вышла часть воздуха, поместили под струю воды из-под крана и разжали – в него стала набираться вода).
3. Капать воду в центр монетки с очень близкого расстояния, считать количество капель и смотреть, какую форму принимает поверхность воды на монетке.

 

Результат

Вода на монете будет расположена не ровным тонким слоем, как это может показаться перед экспериментом. Поверхность воды будет растягиваться и становиться все более выпуклой с каждой новой каплей до тех пор, пока тонкая пленочка, которую образует поверхность воды, не порвется. И тогда почти вся вода с монетки вытечет в блюдце.

На моих фотографиях видно, что у нас блюдце стоит неровно, оно наклонено вправо – оттуда вода и начнет вытекать совсем скоро.

Мы с дочерью делали этот эксперимент несколько раз. Самое большое количество капель, которое смогло удержаться на монетке, у нас получилось равным 24. Будем искать более ровную поверхность!

Эксперимент (опыт) с водой и скрепкой

В прошлом эксперименте мы убедились, что поверхность воды похожа на тонкую пленочку, которая может растягиваться. В этот раз мы сможем рассмотреть эту пленочку получше и увидеть, что она может не только удерживать воду внутри, но и не дать утонуть относительно тяжелым предметам и прогибаться под их весом.

Что понадобится:

• вода, стакан, металлическая скрепка (она должна быть сухой)

Ход эксперимента:

1. Налить воду в стакан.
2. Взять скрепку и, держа ее горизонтально, поднести максимально близко к поверхности воды, отпустить.
   Если скрепка утонет, повторить эксперимент, только скрепку положить на маленький кусочек бумажной салфетки, а затем вместе с салфеткой опустить на поверхность воды. Через некоторое время салфетка намокнет и пойдет ко дну.

Результат

Скрепка будет плавать и можно будет рассмотреть, как поверхность воды прогибается под ее весом.

Повторите этот эксперимент, используя воду с растворенным в ней моющим средством (примерно половина чайной ложки жидкости для мытья посуды, жидкого мыла или шампуня на неполный стакан воды).

Что произошло с поверхностным натяжением воды при добавлении в нее моющего вещества, вы узнаете из следующего эксперимента.

Эксперимент (опыт) с водой и конфетти

Этот эксперимент похож на волшебство, но на самом деле он имеет научное объяснение. От прикосновения “волшебной палочки” к воде и команды “Посторонись!” все плавающие в воде конфетти сразу же отплывут к краям блюдца. Можно использовать не палочку, а кусочек мыла или капнуть моющее средство в центр блюдца – конфетти разбегутся по сторонам, как будто не любят мыло.

Что понадобится:

• вода, блюдце, дырокол, моющее средство (жидкое мыло, шампунь или жидкость для мытья посуды), шпажка (вместо нее можно взять зубочистку или спичку)

Ход эксперимента:

1. Налить воду в блюдце.
2. С помощью дырокола сделать из бумаги конфетти (или проводить эксперимент с маленькими пенопластовыми шариками).
3. Насыпать конфетти в центр блюдца.
4. По желанию шпажку можно превратить в волшебную палочку, если красиво раскрасить ее акриловыми красками, глиттером или обмотать тонкой полоской блестящего скотча.
5. Обмакнуть в моющее средство самый кончик волшебной палочки, вернее, шпажки, и прикоснуться ею к поверхности воды в центре блюдца.

Результат

Конфетти после прикосновения шпажки сразу же послушно переместятся к краям блюдца. Это связано с тем, что моющие средства являются поверхностно-активными веществами, они собираются на поверхности воды и  уменьшает ее поверхностное натяжение. На воде образуется мыльная пленка, она растекается, оттесняя конфетти к краям.

А какие результаты получились у вас?

Предлагаю посмотреть другие статьи об опытах и экспериментах с детьми.

© Юлия Валерьевна Шерстюк, https://moreidey. ru

Всего доброго! Буду рада Вашим комментариям!

Размещение материалов сайта (изображений и текста) на других ресурсах без письменного разрешения автора запрещено и преследуется по закону

.

Поверхностное натяжение

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бартенев А.Р. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение-средняя общеобразовательная школа № 10 с углубленным изучением отдельных предметов

Зиберева М.В. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение-средняя общеобразовательная школа № 10 с углубленным изучением отдельных предметов

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

Введение

Наблюдая летом за поверхностью реки, я заметил, что многие насекомые перемещаются по поверхности воды и не тонут.

Легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду. Значит, вода обладает каким – то свойством, позволяющим выдерживать всю эту живность. И название этому свойству – поверхностное натяжение.

Клоп – водомерка использует силу поверхностного натяжение, удерживающую его на поверхности воды. Его лапки покрыты водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапок, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности. Он не тонет, поскольку вес клопа меньше силы поверхностного натяжения воды.

В жизни мы можем встретить поверхностное натяжение в самых простых ситуациях. Например, под действием силы поверхностного натяжения капли воды превращаются на стекле в полушарие.

Данное явление заинтересовало меня, и я решил изучить тему поверхностного натяжения и его роль в природе.

Цель работы: изучение поверхностного натяжения воды.

Гипотеза: предположим, что поверхностное натяжение воды существует.

Задачи работы:

Изучить литературу по теме работы;

Опытным путем убедиться в поверхностном натяжении воды;

Сделать вывод о проделанной работе.

Методы исследований: опыты.

Поверхностное натяжение воды

Теоретическая часть.

Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притяжения – на самом деле именно благодаря им жидкость мгновенно не улетучивается. На молекулы внутри жидкости силы притяжения действуют со всех сторон и поэтому взаимно уравновешивают друг друга. Молекулы же на поверхности жидкости не имеют соседей снаружи, и результирующая сила направлена внутрь жидкости. В итоге вся поверхность воду стремиться стянуться под действием этих сил. По совокупности эффект приводит к формированию так называемой силы поверхностного натяжения, которая действует вдоль поверхности жидкости и приводит к образованию на ней невидимой, тонкой, упругой пленки.

Одним из следствий эффекта поверхностного натяжения является то, что для увеличения площади поверхности жидкости – ее растяжения – нужно проделать механическую работу по преодолению сил поверхностного натяжения. Следовательно, если жидкость оставить в покое, то она стремиться принять форму, при которой площадь ее поверхности минимальна.

В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (тяготением).

При идеальном стечении обстоятельств, при поверхностном натяжении, когда все молекулы стремятся к центру жидкости, должен получаться шарик. Этот шарик можно увидеть летом на траве, если рано утром выйти на улицу (маленькие капельки росы). Капли дождя в полете принимают почти сферическую форму, а капли воды на покрытом свежим воском автомобиле, собираются в бусинки.

Поверхностное натяжение измеряется силой, с которой поверхностный слой действует на единицу длины того или иного контура на свободной поверхности жидкости по касательной к этой поверхности. В Международной системе единиц эта величина измеряется в ньютонах на метр (1 Н/м).

Практическая часть

Чтобы доказать, что существует поверхностное натяжение, проделаем несколько опытов.

Опыт № 1 «Эксперимент опыт с водой и монеткой».

Как вы думаете, сколько капелек воды поместится на обычной монетке? Этот эксперимент покажет, что поверхность воды может растягиваться. (Приложение, рис.1)

Реквизит: вода, блюдце, монетка, пипетка.

Ход эксперимента

Положить монетку на блюдце, а блюдце – на очень ровную поверхность.

В пипетку набрать воды.

Капать воду в центр монетки с очень близкого расстояния, считать количество капель и смотреть, какую форму принимает поверхность воды на монетке.

Результат

Вода на монете будет расположена не ровным тонким слоем, как это может показаться перед экспериментом.

Поверхность воды будет растягиваться и становиться все более выпуклой с каждой новой каплей до тех пор, пока тонкая плёночка, которую образует поверхность воды, не порвется. И тогда почти вся вода с монетки вытечет в блюдце.

В ходе эксперимента на пятирублевой монетке поместилось 36 капель воды, затем вода пролилась.

Вывод: поверхностное натяжение воды существует.

Опыт № 2 «Опыт с молоком и красителями».

Этот опыт показывает, как может изменяться поверхностное натяжение жидкостей. (Приложение, рис.2)

Реквизит: молоко, блюдце, красители, пипетка, жидкое мыло и ватная палочка.

Ход эксперимента

Налить в миску столько молока, чтобы оно закрывало дно.

Налить по всей поверхности молока по две капли раствора красителя разных цветов (розовый, желтый, бирюзовый).

Добавить ватной палочкой на середину блюдца каплю жидкости для мытья посуды и наблюдать, что случилось с красителями.

Результат: Цветные струйки быстро удаляются от центра к краям. Мыло способно разрушить поверхностное натяжение воды. Молекулы мыла проникают между молекулами воды и снижают их взаимное притяжение. Там, где касаешься мылом, поверхностное натяжение разрушается.

Вывод: мой опыт показал, что жидкое мыло разрушает поверхностное натяжение воды.

Опыт № 3 «Компас своими руками».

Этот опыт показывает, как может поверхностное натяжение воды может применяться на практике. (Приложение, рис.3)

Реквизит: вода, стакан, магнит, иголка, щипцы.

Ход эксперимента.

Намагнитить иголку.

Налить в стакан воды.

Аккуратно положить иголку на поверхность воды.

Результат.

С помощью щипцов положили иголку на воду, чтобы она лежала на поверхности и не тонула. Для наглядности рядом поставили компас, чтобы проверить показания самодельного компаса. Намагниченная иголка, лежа на поверхности воды, верно указывала северное направление.

Вывод: мой опыт показал, что поверхностное натяжение воды можно использовать на практике.

Выводы

Гипотеза, что поверхностное натяжение воды существует, подтвердилась.

В результате воздействия силы поверхностного натяжения, касаясь куском мыла поверхности воды в центре, краситель начинает расплываться к стенкам миски; поверхностное натяжение весьма чувствительно к наличию каких – либо примесей. Зная это можно уменьшить или увеличить значение силы.

Силу поверхностного натяжения можно использовать на практике.

Силы поверхностного натяжения используются человеком и в промышленности.

При отливке сферических форм, например, ружейной дроби, каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточно большой высоты, и они сами застывают в виде шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер.

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты, не дающие воде собираться в капли на какой-либо поверхности. Их добавляют, например, в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности грязных крапин после высыхания.

 

Приложение

Рис. 1. Опыт 1
Рис.2. Опыт 2
Рис. 3. Опыт 3

Список литературы

1. А так ли хорошо вам знакомо поверхностное натяжение?

Квант № 3,2005

2. Книга из серии «Мурзилка» Забавные физические опыты. Репьев С. А.

Издательство: Карапуз.

3. Увлекательные опыты. Биология, физика, химия, науки о земле. Ненси К О

Лири, Сьюзен Шелли.

4. Большая книга занимательных наук, Я. Перельман

5. Научные развлечения с простыми вещами. Опыты и эксперименты для

детей. Шапиро А. И.

6. Источник: Дж. Ванклив “Занимательные опыты по физике” и “200 экспериментов”; “Забавная физика” Л.Гальперштейн

7. http://class-fizika.ru/op31-13.html

Просмотров работы: 732

Поверхностное натяжение воды

ФЕСТИВАЛЬ УЧЕНИЧЕСКИХ ПРОЕКТОВ – 2017

МКОУ «Средняя общеобразовательная школа д.Шибково»

Искитимского района Новосибирской области

Поверхностное натяжение воды

Информационно – практический проект

Выполнили:

Баландин Антон

Иминова Ксения

8 класс

Руководитель: Семина Л.А.

учитель физики

2016 – 2017 учебный год

Оглавление

Паспорт проекта 3

Введение 5

Основная часть 5

Эксперименты 6

Исследование 9

Заключение 9

Литература 10

Приложения 11

Паспорт проекта

Название проекта – Поверхностное натяжение воды

Руководитель: учитель физики Л. А.Семина

Исполнители: Иминова Ксения, Баландин Антон

Основополагающий вопрос – Может ли вода стоять «горкой»?

Сроки работы над проектом: ноябрь 2016

Учебные дисциплины, близкие к теме проекта: физика, химия, информационные технологии.

Возраст учащихся, на которых рассчитан проект: учащиеся 8 класса.

Тип проекта по доминирующей деятельности учащихся:

Информационно – практический (проект предполагает познакомить восьмиклассников МКОУ «СОШ д. Шибково» с поверхностным натяжением воды).

Тип проекта по предметно – содержательной области: монопроект.

По количеству участников – парный.

По продолжительности – средний.

По характеру контактов – внутришкольный.

Краткая аннотация проекта. На наш взгляд, тема проекта очень актуальна. Привычное не удивляет и то, что мы постоянно используем, лишено налета таинственности и воспринимается обыденно.

В прошлом учебном году у нас был курс исследовательской деятельности «Физика вокруг нас». Мы узнали много нового и интересного, чего не было в учебнике по физике 7 класса. Одним из опытов, проведенных нами, был такой. Учитель поставил задачу: как велико количество капель воды на монете. В ходе эксперимента мы увидели, что вода не сразу растекается с монетки, а становится горкой. Нам стало любопытно, почему так происходит. В своей работе мы попытались найти ответ на этот вопрос.

Проблема: вода – все тайное становится явным.

Объект исследования: вода.

Предмет исследования: свойства воды.

Цель проекта: познакомиться с поверхностным натяжением.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 

• познакомиться с явлением поверхностного натяжения;

• провести различные опыты;

• проверить и сопоставить факты и наблюдения;

• получить выводы из наблюдений.

Гипотеза: можно построить горку из воды.

Направляющие вопросы (проблемные вопросы):

• Можно ли бегать по воде?

• Почему вода собирается в каплю?

• Компас в домашних условиях.

В ходе исследования были рассмотрены свойства воды и её поверхностного натяжения.

Методы исследования:

Этапы работы над проектом– способы решения:

• Подготовительно-организационный: поиск необходимой информации,

• Предварительной обработки информации: сбор данных, проведение опытов.

• Аналитический: изучение и систематизация информации в соответствии с замыслом проекта.

• Проверочно-тестирующий: устранение недоработок.

• Окончательного оформления: защита проекта: оформление презентации

• Подведение итогов: оценка и самооценка защиты и проекта в целом.

Сфера применения результатов: при проведении Недели физики и математики, при проведении Интеллектуального марафона (в начальной школе).

Мы рады представить вам результаты проделанной работы.

Введение

Каждый из нас в своей повседневной жизни не раз сталкивался и сталкивается с обычными, но вместе тем удивительными явлениями, совершенно не задумываясь при этом, с какими замечательными физическими явлениями имеем дело.

Для начала вспомним основные физические свойства воды: вид молекулы воды H₂O. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде. При атмосферном давлении вода замерзает при температуре 0°C и кипит при температуре 100°C.

Вода – удивительное вещество. У неё необычно высокая температура кипения и парообразования, высокая теплоемкость и необычно высокое поверхностное натяжение.

Основная часть

Примеры явлений поверхностного натяжения в природе, жизни

Привычное не удивляет и то, что мы постоянно используем, лишено налета таинственности и воспринимается обыденно. Все дети прекрасно знают, что «куличики» и замки можно строить только из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но так же не пристают друг к другу и песчинки, целиком погружённые в воду.

Во время уроков рисования каждый из нас не раз замечал, что волоски кисточки расходятся в воде и тут же слипаются, если кисточку вынуть из воды. Мы задумались: почему так происходит?

По воде ходят, бегают множество насекомых. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лапок. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налётом. Водомерки ловко скользят по поверхности. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но не рвется. Значит, вода обладает каким-то свойством, позволяющим выдерживать всю эту живность.

И название этому свойству — поверхностное натяжение. В природе наряду с силами тяготения, трения, упругости есть менее заметные, но не менее важные: это силы поверхностного натяжения. Они бывают у жидкостей и твёрдых тел.

Поверхностное натяжение – один из очень важных параметров воды. Оно определяет силу сцепления между молекулами воды, а также геометрическую форму поверхности жидкости. Например, из-за сил поверхностного натяжения в разных случаях формируется капля, лужица, струя и т.д.

Немного теории

Сила поверхностного натяжения – это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к её поверхности. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. Понятие «поверхностное натяжение» впервые ввёл Я. Сегнер в 1752 г. В природе и в быту силы поверхностного натяжения играют большую роль.

Вспомним основные свойства жидкостей: не имеют формы, имеют объем, несжимаемы, т. к. молекулы жидкости находятся на малых расстояниях друг от друга. Поэтому для сжатия жидкостей надо преодолевать силы молекулярного отталкивания

Из-за того, что расстояние между молекулами в жидкости малы, увеличиваются силы притяжения молекул друг к другу. Образно говоря, при переходе из газообразного состояния в жидкое, молекулы как бы слипаются.

Каждая молекула в течение некоторого времени хаотически колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени молекула меняет место равновесия, перемещаясь скачком в новое положение, отстоящее от предыдущего на расстояние порядка самих молекул. Таким образом, молекулы лишь медленно перемещаются внутри жидкости, пребывая часть времени около определенных мест, т. е. молекулы странствуют по всему объему жидкости, ведя кочевой образ жизни, при котором кратковременные переезды сменяются относительно длинными периодами оседлой жизни. Длительности этих “стоянок” весьма различны и беспорядочно меняются со временем, резко убывают с повышением температуры^[5].

Эксперименты

Физика – наука экспериментальная. В основе её лежат наблюдения и опыты. Следующим шагом нашей работы стало проведение опытов.

Опыт 1.

Вернемся к опыту с монетой. Попытаемся найти ответ на вопрос: как получить воду с горкой?^[2].

Горку можно соорудить практически из чего угодно – из песка, соли, сахара и даже из одежды. А можно ли сделать горку из воды? На первый взгляд, кажется, что пример такой горки – волна. Однако она движется и существует только в движении. А соорудить горку из воды, не создавая волны, – задача сложная, но вполне разрешимая. Выполним следующий опыт, чтобы убедиться в этом!

Как вы думаете, сколько капелек воды поместится на обычной монетке? Этот эксперимент покажет, что поверхность воды может растягиваться.

Нам понадобятся: вода, салфетка, монетка, пипетка.

Ход эксперимента. Положили монетку на салфетку, а салфетку – на очень ровную поверхность. Т.е., если салфетка будет лежать на столе, хоть немного наклоненном на одну сторону, эксперимент закончится гораздо раньше, чем мог бы, и будет менее зрелищным. В пипетку набрали воду. Капали воду в центр монетки с очень близкого расстояния, считали количество капель и смотрели, какую форму принимает поверхность воды на монетке.

Результат. Вода на монете располагалась не ровным тонким слоем, как это может показаться перед экспериментом. Поверхность воды растягивалась и становилась все более выпуклой с каждой новой каплей до тех пор, пока тонкая пленочка, которую образует поверхность воды, не порвалась. И тогда почти вся вода с монетки вытекает на салфетку.

Мы делали этот эксперимент несколько раз. Количество капель, которое смогло удержаться на монетке 40 – 47 (приложение 1).

Опыт 2.

Как налить воду с горкой?

Нам потребуется: стеклянный стакан; горсть монет; вода; растительное масло.

Ход эксперимента. Возьмем хорошо вымытый сухой стакан, немного смажем края растительным маслом и наполним его водой до отказа. А теперь очень аккуратно опускаем в стакан по одной монете.

Результат. По мере опускания монет в стакан вода из него не выливается, а начнёт понемногу приподнимается, образуя горку. Это хорошо заметно, если посмотреть на стакан сбоку. По мере увеличения в стакане количества монет горка становится всё выше – поверхность воды надуется, словно воздушный шарик. Однако на какой-то монете этот шарик лопает и вода струйками течёт по стенкам стакана.

Объяснение. Монеты будут выталкивать собственный объём. Вода в стакане будет подниматься над поверхностью, но не выльется на стол, а поднимется горкой, своеобразной водяной линзой, над краями стакана. Если быть предельно аккуратным, может получиться впечатляющая линза, на первый взгляд непонятно какими силами удерживаемая.

Что удерживает воду от того, чтобы не пролиться на стол?

«Виновато» поверхностное натяжение воды. Эта сила возникает на границе веществ, в данном случае воды и воздуха. Из-за того, что жидкость не занимает весь свободный объём стакана между водой и воздухом образуется граница раздела, на которой молекулы поверхностного слоя воды притягиваются к молекулам жидкости.

Проще говоря: молекулы поверхности воды притягиваются вглубь жидкости. Как следствие, поверхность воды чуть более плотная чем остальная её часть. Образуется своего рода «плёнка», которая не зависит от площади поверхности^[6].

Вторая причина образования горки – вода плохо смачивает поверхность стакана. Что это значит? Взаимодействуя с твёрдой поверхностью, вода плохо к ней прилипает и плохо растекается. Именно поэтому она не стекает сразу же через край стакана при образовании горки. Кроме того, для уменьшения смачивания края стакана в опыте смазаны растительным маслом (приложение 2).

Еще поверхностное натяжение проявляется следующим образом: маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости^[7].

Опыт 3.

Утонет иголка? В предыдущем эксперименте мы убедились, что поверхность воды похожа на тонкую пленочку, которая может растягиваться. В этом опыте пленочка может не только удерживать воду внутри, но и  не  дает утонуть относительно тяжелым предметам (скрепке, иголке) и прогибается под их весом.

Что понадобится: вода, стакан, салфетка, иголка

Ход эксперимента. Налить воду в стакан. С помощью пинцета опустить иголку на поверхность воды.

Результат. Иголка не тонет! Ее удерживают силы поверхностного натяжения (приложение 3). Такой же опыт мы провели со скрепкой.

Опыт 4.

Делаем компас. Намагнитим иголку и положим ее на поверхность воды. Намагниченная иголка, лежа на поверхности воды, верно указывала северное направление. Для наглядности рядом поставили компас, чтобы проверить показания самодельного компаса (приложение 4)

Порой простые опыты бывают очень наглядными и захватывающими! Изготовление самодельного компаса показано в мультфильме «Фиксики: компас». Компас — полезное изобретение, используется в мореходстве. Простое, но важное и интересное.

В ходе проведения опытов у нас возник вопросы: что влияет на поверхностное натяжение? Как можно изменить поверхностное натяжение? В чем оно измеряется?

Исследование

Что произойдет с поверхностным натяжением воды при добавлении в нее моющего вещества, мы узнали из следующего эксперимента. В воду добавим растительное масло и тщательно перемешаем. Капли масла располагаются на поверхности воды хаотично. Если добавить в эту смесь каплю жидкости для мытья посуды, то капли сформируются в строгие капельки, расположенные ближе к краям тарелки. Поверхностно-активные вещества понижают поверхностное натяжение воды (приложение 5).

Коэффициент поверхностного натяжения «σ» измеряется в . У воды, например, коэффициент поверхностного натяжения при температуре 25°С на воздухе равен 73мН/м.

Заключение

Поставленная цель выполнена. Мы познакомились с поверхностным натяжением воды. Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Выяснили, что можно бегать по воде (водомерки), носить воду в решете, сделать бутылку-непроливашку.

В ходе выполнения работы подтвердили гипотезу: вода может стоять горкой. Проверили это экспериментально. Сделали компас в домашних условиях. Планируем продолжить работу над этой темой. Попытаемся выяснить, как поверхностное натяжение зависит:от рода жидкости, наличия примесей, от температуры.

Работа имеет большое познавательное значение, вызывает интерес к физике и практической деятельности. При проведении игры «По физическим дорогам» мы предложили учащиеся 9 – 11 классов провести опыт №2. Старшеклассники с удовольствием считали количество монет, которые можно было поместить в наполненный доверху стакан с водой.

Оказалось, что проведение опытов – это не только способ изучения, но и способ очень весело проводить время. Такие опыты-фокусы очень нравятся нам и помогают познакомиться с удивительными свойствами самой простой воды.

Литература

1. Всё обо всём. Популярная энциклопедия для детей. – М.: Слово, 1994.

2. Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 2. – М.: Наука, 1979.

3. Петрянов-Соколов И.В. Самое необыкновенное вещество в мире. Москва: Издательство «Педагогика», 1975.

Интернет-источники

1. http://naukaveselo.ru/mozhno-li-begat-po-vode-poverhnostnoe-natyazhenie.html – поверхностное натяжение, или можно ли бегать по воде?

2. http://eksperimentiki.ru/publ/fizika/water/10 – экспериментики

3. https://umnejka.ru/monety-i-voda/

4. http://naukaveselo.ru/mozhno-li-begat-po-vode-poverhnostnoe-natyazhenie.html

5. http://moreidey.ru/razvivayushhie-i-obuchayushhie-zanyatiya/eksperimentyi-voda-1. htm – More творческих идей для детей

Приложения

Приложение 1

Опыт 1. Сколько капелек воды поместится на обычной монетке?

Ответ на этот вопрос мы нашли экспериментально.

Начало опыта.

На 10-рублевую монету помещалось

от 40 до 47 капель воды.

Горка из воды

Приложение 2

В стакан воды, налитый до самого верха, может поместиться от 37 до 44 монет достоинством 10 и 50 копеек. Проверено на игре «Путешествие по физическим дорогам».

Приложение 3

Иголка не тонет! Ее удерживают силы поверхностного натяжения

Приложение 4

Компас в домашних условиях

Приложение 5

Что такое поверхностное натяжение? Простая научная деятельность для детей

ByKim Обновлено 18 августа 2022 г.

Сегодня мы изучаем поверхностное натяжение, примеры поверхностного натяжения, почему поверхностное натяжение так важно, а также быстрый и простой эксперимент с поверхностным натяжением, который вы можете провести с детьми дома на кухне или в классе. Простые научные занятия могут помочь детям узнать об окружающем мире, используя свое любопытство через игру!

Поверхностное натяжение удерживает капли воды вместе на такой поверхности, как этот флис.

Поверхностное натяжение

Что заставляет молекулы воды слипаться, образуя каплю воды?

Поверхностное натяжение .

Что позволяет этим прохладным водяным жукам ходить по воде?

Поверхностное натяжение .

Поверхностное натяжение позволяет насекомому ходить по воде, не падая в нее.

Что такое поверхностное натяжение?

Но что такое поверхностное натяжение и как научить этому детей более понятным способом?

Свойство поверхности жидкости, которое позволяет ей сопротивляться внешней силе благодаря когезионной природе ее молекул.

– Школа водных наук Геологической службы США

Я думаю об этом как о «коже», которая формируется на поверхности воды, чтобы удерживать края воды вместе, хотя с научной точки зрения это не совсем правильно. По сути, молекулы воды сильнее притягиваются друг к другу, чем воздух.

Это свойство вызвано сцеплением подобных молекул и отвечает за многие свойства жидкостей.

Эта статья содержит партнерские ссылки.

Капли воды хотят быть круглыми, но им мешает гравитация.

Поверхностное натяжение и капли воды

Поскольку молекулы воды притягиваются друг к другу, это приводит к форме капли жидкости. Они хотят быть сферическими, чтобы быть как можно ближе друг к другу, но при падении гравитация начинает отталкивать их друг от друга.

Вес водяных жуков недостаточно велик, чтобы преодолеть поверхностное натяжение воды.

Поверхностное натяжение Пример – водяные жуки

В случае водяных жуков и других насекомых, таких как водомерки, которые могут бегать по поверхности воды, их веса недостаточно, чтобы проникнуть сквозь поверхность воды из-за напряжения.

Вещи, которые слишком тяжелы, чтобы плавать, могут плавать до тех пор, пока не будет нарушено поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение Пример – плавание

Некоторые объекты могут плавать на поверхности воды, даже если они плотнее воды.

Эксперимент с плавающей булавкой работает из-за поверхностного натяжения.

Такой предмет, как английская булавка или игла, можно осторожно положить на поверхность воды и плавать, даже если он довольно тяжелый по отношению к воде. Как только поверхность взволнована и поверхностное натяжение «сломается», объект быстро утонет.

Практическое занятие по поверхностному натяжению для детей

Ну, я не произнесу больше 10 слов из этого определения, прежде чем глаза моих детей остекленеют. Поэтому я решил забыть о формальных определениях и вместо этого провести практическую демонстрацию!

Принадлежности, необходимые для эксперимента с поверхностным натяжением

• пенни
• бутылочка, пипетка или пипетка
• вода

Чтобы продемонстрировать поверхностное натяжение , мы использовали пенни и нашли шприц-бутылку, скорость которой можно легко контролировать капель воды.

Идеально подойдет пипетка или пипетка.

Поверхностное натяжение Указания по применению

Шаг 1

Наполните водой свою бутылку, пипетку или пипетку.

Шаг 2

Капайте воду на плоскую монетку по капле.

Мы наполнили монетку каплями воды….затем добавили еще капель….и еще капель.

Пока мои дети добавляли капли воды к монеткам, я объяснял им, что такое поверхностное натяжение , своими словами:

Молекулы воды крепко держатся друг за друга. Они не хотят расставаться. Они особенно цепляются друг за друга на поверхности, потому что на другой стороне нет молекулы воды, за которую можно было бы ухватиться. Молекулы воды на поверхности так крепко держатся друг за друга, что на поверхности как бы образуется «кожица». Капли воды продолжают наслаиваться друг на друга, пока на вершине монеты не образуется небольшой водяной купол.

Конечно, рано или поздно наступает момент, когда молекулы воды просто не могут больше держаться и выплескиваются на стол.

Мои дети были просто поражены куполом из воды, который они построили из своих копеек.

Тем не менее, они повторяли демонстрацию снова и снова не для того, чтобы увидеть купол, а чтобы увидеть, кто из них первым заставит воду пролиться на стол.

Как же нам было весело!

Упражнения на поверхностное натяжение для дополнительного обучения

Попробуйте выполнить некоторые из действий, описанных выше в информации о поверхностном натяжении, например, попытаться заставить иглу или английскую булавку плавать, а затем утонуть. Отправляйтесь на охоту за каплями воды и попытайтесь найти места, где вода имеет форму сферы и где вода имеет форму капли. Найдите плавающие предметы, которые кажутся тяжелыми для плавания!

Другие научные задания из блога мероприятий для детей

• Ознакомьтесь с этой идеей экспериментов с поверхностным натяжением с использованием кубиков LEGO.
• Вот эксперимент по поверхностному натяжению с использованием перца.
• Изучите поверхностное натяжение, созданное с помощью способа создания пузырей.
• Исследуйте красочные результаты поверхностного натяжения в этом эксперименте по окрашиванию молока и пищевых красителей.
• Поверхностное натяжение немного сходит с ума при изготовлении ооблека!
• Сотни научных экспериментов для детей, которые вы легко можете провести на своей кухне.
• Более простая наука для детей дома.

Что вы узнали о поверхностном натяжении? Как прошла ваша работа с поверхностным натяжением?

Ким

Ким воспитывает двоих детей на домашнем обучении. Когда она не в походе на природе со своими детьми, ее можно найти в альбоме об их приключениях и, возможно, тайно съедающем кусочек шоколада. Она пишет о материнстве и семейных развлечениях в Savor the Days.

5-минутный научный эксперимент по поверхностному натяжению для детей

Наука • Научные эксперименты

15 февраля 2021 г.

Бет Горден

Расскажите детям о науке с простой научный эксперимент , который оставит детей любопытными и готовыми к экспериментам. В этом эксперименте с поверхностным натяжением используется пара простых материалов, которые помогут обучить детей поверхностному натяжению всего за 5 минут! Используйте этот экспериментов с поверхностным натяжением с учащимися детского сада, дошкольного, первого, 2-го, 3-го, 4-го, 5-го и 6-го классов. Я люблю использовать простые упражнения, чтобы помочь детям начать понимать более важные принципы, такие как этот простой научный урок о поверхностном натяжении.

Поверхностное натяжение для детей

Попробуйте этот быстрый  эксперимент с поверхностным натяжением , чтобы научить детей  поверхностному натяжению для детей . Используя баночки с водой, ватные тампоны и жидкое средство для мытья посуды, вы можете сделать научный принцип напряжения легким для понимания детьми. Используйте эти экспериментов с поверхностным натяжением для детей всех возрастов: дошкольников, первоклассников, учащихся 1-го, 2-го, 3-го, 4-го, 5-го и 6-го классов. Мне нравится использовать практические исследования, чтобы сделать обучение интересным и показать, что наука не должна быть сложной; наука это весело!

Что такое поверхностное натяжение

Молекулы воды любят слипаться. На поверхности, где вода встречается с воздухом, молекулы воды еще крепче цепляются друг за друга. Это называется поверхностным натяжением . Чтобы снизить поверхностное натяжение воды, вы можете нагреть ее или добавить мыло или моющее средство. Эти две вещи вызывают уменьшение притяжения между молекулами воды. В случае ватных шариков структура ватного шарика представляет собой множество намотанных хлопковых волокон с крошечными воздушными карманами между ними. Когда ватный шарик впервые попадает в холодную воду, он легче воды и всплывает. Затем вода начинает медленно проникать в эти воздушные карманы и заменять воздух. Это приводит к тому, что ватный шарик в конечном итоге тонет.

Что такое поверхностное натяжение для детей

Когда ватный тампон попадает на стакан с горячей водой, происходит то же самое, что и в холодной воде, но с большей скоростью. Это вызвано тем, что поверхностное натяжение воды в этом стакане ниже. Это заставляет воду двигаться в ватные шарики намного быстрее. Повторите этот эксперимент, добавив пару капель средства для мытья посуды в стакан с холодной водой. Сравните скорость погружения ватного тампона в обычную холодную и/или горячую воду. Каковы результаты и почему? Вы также можете попробовать разную температуру воды или использовать разные типы и количество мыла.

Эксперименты с поверхностным натяжением

Для выполнения этого простого научного эксперимента для детей все, что вам нужно, это несколько простых материалов, которые уже есть у вас под рукой:

Расходные материалы;

• 2 или 3 стеклянные банки (стаканы)
• 3+ ватных шарика
• вода
• жидкое моющее средство для посуды

Эксперимент с поверхностным натяжением

Чтобы попробовать этот проект поверхностного натяжения , наполните одну из банок холодной водой, а другую – горячей водой. Опустите ватный тампон в каждый из стаканов одновременно. Обратите внимание, что происходит с ватными шариками. Они тонут или плавают? Один тонет быстрее другого? Почему? Вот подсказка: то, что вы наблюдаете, является результатом поверхностного натяжения воды.

Веселые научные эксперименты

• 30 простых машин для детских экспериментов
• Запустите этот эксперимент и запишите свои результаты с помощью этой таблицы экспериментов с кока-колой и ментосом
• Много веселых идей для проекта «Солнечная система» для детей
• Рабочие листы для печати по Солнечной системе (бесплатно) или рабочие листы по планетам для детского сада
• Получите эти бесплатные раскраски Солнечной системы для печати
• Проект человеческого тела в натуральную величину с частями тела, которые можно бесплатно распечатать
• Научный эксперимент с красочным капиллярным действием (также известный как ходячая вода)
• 100 удивительных экспериментов в области пищевой науки – сгруппированы по типу науки
• Бесплатно распечатать человеческое тело для детей Playdough Mats
• Герметичный пакет для научных экспериментов
• Учащиеся более старшего возраста могут глубже изучить эти бесплатные рабочие листы по системе скелета
• Удивительный эксперимент Почему листья меняют цвет
• Узнайте о временах года с помощью этих крутых бесплатных распечаток 4 сезона
• Животные и их детеныши пазлы
• Познакомьтесь поближе с животными с помощью этого бесплатного печатного отчета о животных для детей

Легкие научные эксперименты

• Уродливый и крутой проект «Пищеварительная система» для детей всех возрастов
• Эксперимент “Удивительная радуга в банке” для детей
• Эпический ракетный эксперимент с пищевой содой и уксусом
• Прохладное молоко и уксус Эксперимент по изготовлению пластика!
• Узнайте о своем удивительном мозге с помощью этого задания и рабочих листов
• Проект “Как работают руки” для детей
• Очень крутая и простая в сборке машина из воздушных шаров из лего
• Растения для детского урока
• Исследуйте магниты с помощью этих ЭПИЧЕСКИХ экспериментов с магнитами для детей
• Катапульта для палочек от эскимо для детей – простой проект STEM
• Простой эксперимент с лампочкой (она действительно загорается!)
• Самодельный пылесос из воздушных шаров
• Рабочий лист эксперимента «Прыгающие яйца и яйца в уксусе»
• Узнайте о плотности для детей с помощью этих простых практических занятий с твердыми, жидкими и газовыми шариками
• Создайте своего супер простого бота
• Красивый, меняющий цвет капиллярный эксперимент с цветами
• Удивите своих детей тем, как сделать колыбель Ньютона проект
• Термочувствительный слайм, меняющий цвет – это ТАК КРУТО!

Вам также может понравиться

8 апреля 2021 г.

26 февраля 2021 г.

5 января 2017 г.

22 марта 2015 г.

8 декабря 2020 г.

19 апреля 2021 г.

5 августа 2021 г.

12 декабря 2020 г.

Об авторе

Бет Горден

Бет Горден — творческий многозадачный создатель 123 Homeschool 4 Me. Будучи занятой матерью шести детей, занимающейся домашним обучением, она стремится создавать практические учебные задания и рабочие листы, которые детям понравятся, чтобы сделать обучение УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНЫМ! Она создала более 1 миллиона страниц печатных материалов, чтобы научить детей азбуке, естественным наукам, английской грамматике, истории, математике и многому другому! Бет также является создателем 2 дополнительных сайтов с еще большим количеством образовательных мероприятий и БЕСПЛАТНЫХ печатных материалов — www.kindergartenworksheetsandgames.com и www.preschoolplayandlearn.com

Поверхностное натяжение Факты для детей

Поверхностное натяжение — это эффект, при котором поверхность жидкости становится прочной. Поверхность может удерживать вес, а поверхность капли воды удерживает ее вместе в форме шара. Некоторые мелкие предметы могут плавать на поверхности из-за поверхностного натяжения, хотя обычно они не могут плавать. Из-за этого некоторые насекомые (например, водомерки) могут бегать по поверхности воды. Это свойство вызвано тем, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу (сцепление), и отвечает за многие свойства жидкостей.

Поверхностное натяжение имеет размерность силы на единицу длины или энергии на единицу площади. Они эквивалентны, но когда речь идет об энергии на единицу площади, люди используют термин поверхностная энергия, который является более общим термином в том смысле, что он применим также к твердым телам, а не только к жидкостям.

В материаловедении поверхностное натяжение используется либо для поверхностного напряжения, либо для поверхностной свободной энергии.

Содержание

• Причины
• Эффекты в повседневной жизни
  • Вода
  • ПАВ
• Основы физики
  • Два определения
  • Кривизна поверхности и давление
  • Поверхность жидкости
  • Контактные углы
    • Специальные контактные уголки
• Методы измерения
• Эффекты
  • Жидкость в вертикальной трубке
  • Лужи на поверхности
  • Разбиение потоков на капли
• Таблица данных
• Галерея эффектов
• Картинки для детей

Причины

Схема сил на молекулы в жидкости

Поверхностное натяжение предотвращает погружение скрепки.

Силы сцепления между молекулами жидкости вызывают поверхностное натяжение. В объеме жидкости каждая молекула одинаково притягивается во всех направлениях соседними молекулами жидкости, в результате чего результирующая сила равна нулю. Молекулы на поверхности не имеют других молекул со всех сторон и поэтому втягиваются внутрь. Это создает некоторое внутреннее давление и заставляет поверхности жидкости сокращаться до минимальной площади.

Поверхностное натяжение определяет форму капель жидкости. Хотя капли воды легко деформируются, они стремятся принять сферическую форму за счет сил сцепления поверхностного слоя. В отсутствие других сил, включая гравитацию, капли практически всех жидкостей были бы идеально сферическими. Сферическая форма минимизирует необходимое «натяжение стенки» поверхностного слоя в соответствии с законом Лапласа.

Другой способ рассматривать это с точки зрения энергии. Молекула, находящаяся в контакте с соседом, находится в более низком энергетическом состоянии, чем если бы она находилась одна (не в контакте с соседом). Внутренние молекулы имеют столько соседей, сколько возможно, но граничные молекулы не имеют соседей (по сравнению с внутренними молекулами). Таким образом, граничные молекулы имеют более высокую энергию. Чтобы жидкость минимизировала свое энергетическое состояние, необходимо минимизировать количество граничных молекул с более высокой энергией. Минимальное количество граничных молекул приводит к минимальной площади поверхности.

В результате минимизации площади поверхность принимает максимально гладкую форму. Любая кривизна формы поверхности приводит к большей площади и более высокой энергии. Таким образом, поверхность будет отталкиваться от любой кривизны почти так же, как мяч, толкаемый в гору, будет отталкиваться, чтобы минимизировать свою гравитационную потенциальную энергию.

Влияние на повседневную жизнь

Вода

Изучение воды показывает несколько эффектов поверхностного натяжения:

A . Дождевая вода образует шарики на восковой поверхности, например на листе. Вода слабо прилипает к воску и сильно к самой себе, поэтому вода собирается в капли. Поверхностное натяжение придает им почти сферическую форму, потому что сфера имеет наименьшее возможное отношение площади поверхности к объему.

Б . Образование капель происходит при растяжении массы жидкости. Анимация показывает, как вода, прилипшая к крану, набирает массу, пока не растянется до такой степени, что поверхностное натяжение больше не сможет связывать ее с краном. Затем он разделяется, и поверхностное натяжение формирует каплю в шар. Если бы из крана бежала струя воды, то при падении струя разбивалась бы на капли. Гравитация растягивает поток, затем поверхностное натяжение сжимает его в сферы.

С . Предметы плотнее воды все еще плавают, если они несмачиваемы и их вес достаточно мал, чтобы выдерживать силы, возникающие из-за поверхностного натяжения. Например, водомерки используют поверхностное натяжение, чтобы ходить по поверхности пруда. Поверхность воды ведет себя как эластичная пленка: лапки насекомого оставляют углубления на поверхности воды, увеличивая ее площадь.

Д . Разделение масла и воды (в данном случае воды и жидкого парафина) вызвано поверхностным натяжением между разнородными жидкостями. Этот тип поверхностного натяжения называется «граничным натяжением», но его физика такая же.

Е . Слезы вина – это образование капель и ручейков на стенках бокала с алкогольным напитком. Его причиной является сложное взаимодействие между разным поверхностным натяжением воды и этанола. Это вызвано комбинацией модификации поверхностного натяжения воды этанолом вместе с этанолом, испаряющимся быстрее, чем вода.

Поверхностно-активные вещества

Поверхностное натяжение проявляется в других распространенных явлениях, особенно когда для его уменьшения используются поверхностно-активные вещества:

• Мыльные пузыри имеют очень большую площадь поверхности и очень маленькую массу. Пузырьки в чистой воде неустойчивы. Однако добавление поверхностно-активных веществ может оказывать стабилизирующее действие на пузырьки (см. Эффект Марангони). Обратите внимание, что поверхностно-активные вещества фактически снижают поверхностное натяжение воды в три раза и более.
• Эмульсии представляют собой тип раствора, в котором играет роль поверхностное натяжение. Крошечные фрагменты нефти, взвешенные в чистой воде, самопроизвольно собираются в гораздо большие массы. Но присутствие поверхностно-активного вещества обеспечивает снижение поверхностного натяжения, что обеспечивает устойчивость мельчайших капелек масла в объеме воды (или наоборот).

Основы физики

Два определения

На диаграмме в поперечном сечении показана игла, плавающая на поверхности воды. Его вес, F _w , давит на поверхность и уравновешивается силами поверхностного натяжения с обеих сторон, F _s , каждая из которых параллельна поверхности воды в точках, где она касается иглы. Обратите внимание, что горизонтальные компоненты двух стрелок F _и указывают в противоположных направлениях, поэтому они компенсируют друг друга, но вертикальные компоненты указывают в одном направлении и, следовательно, в сумме уравновешивают F _в .

Поверхностное натяжение, обозначаемое символом γ , определяется как сила вдоль линии единичной длины, где сила параллельна поверхности, но перпендикулярна линии. Один из способов представить это — представить себе плоскую мыльную пленку, ограниченную с одной стороны натянутой нитью длиной L . Нить будет тянуться внутрь пленки под действием силы, равной 2 L (умножение 2 связано с тем, что мыльная пленка имеет две стороны, следовательно, две поверхности). Поэтому поверхностное натяжение измеряется в силах на единицу длины. Его единицей СИ является ньютон на метр, но также используется единица cgs дина на см. Один дин/см соответствует 0,001 Н/м.

Эквивалентное определение, полезное в термодинамике, это работа, выполняемая на единицу площади. Таким образом, чтобы увеличить площадь поверхности массы жидкости на величину δA , требуется количество работы δA . Эта работа запасается в виде потенциальной энергии. Следовательно, поверхностное натяжение можно также измерять в системе СИ в джоулях на квадратный метр и в системе СГС в эргах на см ² . Поскольку механические системы стремятся найти состояние минимальной потенциальной энергии, свободная капля жидкости естественным образом принимает сферическую форму, которая имеет минимальную площадь поверхности для данного объема.

Эквивалентность измерения энергии на единицу площади силе на единицу длины может быть доказана анализом размеров.

Кривизна поверхности и давление

Силы поверхностного натяжения, действующие на крошечный (дифференциальный) участок поверхности. δθ _x и δθ _y указывают величину изгиба по размерам заплаты. Уравновешивание сил растяжения с давлением приводит к уравнению Юнга-Лапласа

Если никакая сила не действует нормально на натянутую поверхность, поверхность должна оставаться плоской. Но если давление на одной стороне поверхности отличается от давления на другой стороне, произведение разности давлений на площадь поверхности дает нормальную силу. Чтобы силы поверхностного натяжения компенсировали силу давления, поверхность должна быть искривлена. На диаграмме показано, как кривизна поверхности крошечного участка поверхности приводит к результирующей составляющей сил поверхностного натяжения, действующих перпендикулярно центру участка. Когда все силы уравновешены, получающееся уравнение известно как уравнение Юнга-Лапласа:

где:

• Δ p – разница давлений.
• — поверхностное натяжение.
• R _x и R _y — радиусы кривизны по каждой из осей, параллельных поверхности.

Величина в скобках справа фактически (удвоенная) средняя кривизна поверхности (в зависимости от нормировки).

Решения этого уравнения определяют форму капель воды, луж, менисков, мыльных пузырей и всех других форм, определяемых поверхностным натяжением. (Другой пример — форма отпечатков, которые ноги водомерки оставляют на поверхности водоема).

В таблице ниже показано, как внутреннее давление капли воды увеличивается с уменьшением радиуса. Для не очень маленьких капель эффект незаметен, но разница давлений становится огромной, когда размеры капель приближаются к размеру молекулы. (В пределе одной молекулы понятие теряет смысл.)

Δ p для капель воды разного радиуса на СТП
Радиус капли	1 мм	0,1 мм	1 мкм	10 нм
Δ р (атм)	0,0014	0,0144	1,436	143,6

Поверхность жидкости

Минимальная поверхность

Трудно найти форму минимальной поверхности, ограниченной некоторой рамкой произвольной формы, используя только математику. Однако если сделать рамку из проволоки и окунуть ее в мыльный раствор, то в полученной мыльной пленке за считанные секунды появится локальная минимальная поверхность.

Причина этого в том, что перепад давления на поверхности раздела жидкости пропорционален средней кривизне, как видно из уравнения Юнга-Лапласа. Для открытой мыльной пленки перепад давления равен нулю, следовательно, средняя кривизна равна нулю, а минимальные поверхности обладают свойством нулевой средней кривизны.

Контактные углы

Главная страница: Контактные углы

Поверхность любой жидкости является границей между этой жидкостью и какой-либо другой средой. Верхняя поверхность пруда, например, является границей между водой пруда и воздухом. Таким образом, поверхностное натяжение является свойством не одной жидкости, а свойством границы раздела жидкости с другой средой. Если жидкость находится в сосуде, то кроме границы раздела жидкость/воздух на его верхней поверхности имеется еще и граница раздела жидкости со стенками сосуда. Поверхностное натяжение между жидкостью и воздухом обычно отличается (больше) от его поверхностного натяжения со стенками сосуда. Там, где встречаются две поверхности, геометрия уравновешивает все силы.

Силы в точке контакта показаны для угла контакта больше 90° (слева) и меньше 90° (справа)

Там, где встречаются две поверхности, они образуют контактный угол , который представляет собой угол, который касательная к поверхности образует с твердой поверхностью. На диаграмме справа показаны два примера. Силы натяжения показаны для границ раздела жидкость-воздух, граница раздела жидкость-твердое тело и поверхность раздела твердое тело-воздух. В примере слева разница между поверхностным натяжением жидкость-твердое тело и твердое тело-воздух меньше, чем поверхностное натяжение жидкость-воздух, но остается положительной, то есть

На диаграмме вертикальные и горизонтальные силы должны компенсироваться точно в точке контакта, известной как равновесие. Горизонтальная составляющая компенсируется силой сцепления, .

Более важный баланс сил, тем не менее, находится в вертикальном направлении. Вертикальная составляющая должна точно компенсировать силу .

Жидкость	Твердый	Угол контакта
вода	известково-натриевое стекло свинцовое стекло плавленый кварц	0°
этанол
диэтиловый эфир
четыреххлористый углерод
глицерин
уксусная кислота
вода	парафиновый воск	107°
	серебро	90°
йодистый метил	известково-натриевое стекло	29°
	свинцовое стекло	30°
	плавленый кварц	33°
ртуть	известково-натриевое стекло	140°
Некоторые контактные углы жидкость-твердое тело

Поскольку силы прямо пропорциональны их соответствующему поверхностному натяжению, мы также имеем:

где

• — поверхностное натяжение жидкости и твердого тела,
• – поверхностное натяжение жидкость-воздух,
• — поверхностное натяжение твердого тела в воздухе,
• — контактный угол, при котором вогнутый мениск имеет контактный угол менее 90°, а выпуклый мениск имеет контактный угол более 90°.

Это означает, что хотя разницу между поверхностным натяжением жидкость-твердое тело и твердое тело-воздух трудно измерить напрямую, ее можно вывести из поверхностного натяжения жидкость-воздух и равновесного контактного угла , который представляет собой функция легко измеряемых краевых углов продвижения и отступления (см. краевой угол в основной статье).

Такая же взаимосвязь представлена ​​на диаграмме справа. Но в этом случае мы видим, что, поскольку краевой угол меньше 90°, разница поверхностного натяжения жидкость-твердое тело/твердое тело-воздух должна быть отрицательной:

Специальные углы контакта

Обратите внимание, что в особом случае поверхности раздела вода-серебро, где угол контакта равен 90°, разница поверхностного натяжения жидкость-твердое тело/твердое тело-воздух точно равна нулю.

Другой особый случай, когда контактный угол составляет ровно 180°. Подходит к этому вода со специально подготовленным тефлоном. Контактный угол 180 ° возникает, когда поверхностное натяжение жидкости и твердого тела точно равно поверхностному натяжению жидкости и воздуха.

Методы измерения

Поверхностное натяжение можно измерить методом подвесной капли на гониометре.

Поскольку поверхностное натяжение проявляется в различных эффектах, существует несколько способов его измерения. Какой метод является оптимальным, зависит от природы измеряемой жидкости, условий, при которых должно быть измерено ее натяжение, и устойчивости ее поверхности при деформации.

• Метод кольца Дю Нуи: традиционный метод, используемый для измерения поверхностного или межфазного натяжения. Смачивающие свойства поверхности или границы раздела мало влияют на этот метод измерения. Измеряется максимальное натяжение, действующее на кольцо со стороны поверхности.
• Метод Дю Нуи-Паддея: в упрощенной версии метода Дю Нуи вместо кольца используется металлическая игла небольшого диаметра в сочетании с высокочувствительными микровесами для регистрации максимального усилия. Преимущество этого метода в том, что очень малые объемы пробы (до нескольких десятков микролитров) можно измерять с очень высокой точностью, без необходимости поправки на плавучесть (для иглы, вернее, стержня с правильной геометрией). Кроме того, измерение может быть выполнено очень быстро, минимум примерно за 20 секунд. Недавно на этом принципе были построены первые коммерческие многоканальные тензиометры [CMCeeker].
• Метод пластины Вильгельми: универсальный метод, особенно подходящий для проверки поверхностного натяжения в течение длительных интервалов времени. Вертикальную пластину с известным периметром прикрепляют к весам и измеряют силу смачивания.
• Метод вращающейся капли: этот метод идеально подходит для измерения низкого межфазного натяжения. Диаметр капли в тяжелой фазе измеряется при вращении обоих.
• Метод подвесной капли: с помощью этого метода можно измерить поверхностное и межфазное натяжение даже при повышенных температурах и давлениях. Геометрия капли анализируется оптически. Подробнее см. в разделе Удаление.
• Метод пузырькового давления (метод Джегера): Метод измерения для определения поверхностного натяжения при коротком поверхностном возрасте. Измеряют максимальное давление каждого пузырька.
• Метод объема капли: метод определения межфазного натяжения в зависимости от возраста поверхности раздела. Жидкость одной плотности перекачивают во вторую жидкость другой плотности и измеряют время между образованием капель.
• Метод капиллярного подъема: конец капилляра погружается в раствор. Высота, на которой раствор достигает капилляра, связана с поверхностным натяжением уравнением, обсуждаемым ниже.
• Сталагмометрический метод: метод взвешивания и считывания показаний капли жидкости.
• Метод лежащей капли: Метод определения поверхностного натяжения и плотности путем помещения капли на подложку и измерения краевого угла (см. Метод лежащей капли).
• Частота колебаний левитирующих капель: поверхностное натяжение сверхтекучей жидкости ⁴ Он был измерен путем изучения собственной частоты колебательных колебаний капель, удерживаемых в воздухе магнитами. Это значение оценивается в 0,375 дин/см при Т = 0° К9.0064

Эффекты

Жидкость в вертикальной трубке

Главная страница: Капиллярное действие

Схема ртутного барометра

Ртутный барометр старого образца состоит из вертикальной стеклянной трубки диаметром около 1 см, частично заполненной ртутью, и с вакуумом (называемым вакуумом Торричелли) в незаполненном объеме (см. схему справа). Обратите внимание, что уровень ртути в центре трубки выше, чем по краям, что делает верхнюю поверхность ртути куполообразной. Центр масс всего ртутного столба был бы немного ниже, если бы верхняя поверхность ртути была плоской по всему поперечному сечению трубки. Но куполообразная вершина дает несколько меньшую площадь поверхности всей массе ртути. Снова два эффекта объединяются, чтобы минимизировать общую потенциальную энергию. Такая форма поверхности известна как выпуклый мениск.

Мы рассматриваем площадь поверхности всей массы ртути, включая ту часть поверхности, которая соприкасается со стеклом, поскольку ртуть совершенно не прилипает к стеклу. Так что поверхностное натяжение ртути действует на всю площадь ее поверхности, в том числе и там, где она соприкасается со стеклом. Если бы вместо стекла трубка была сделана из меди, ситуация была бы совсем другой. Ртуть агрессивно прилипает к меди. Так в медной трубке уровень ртути в центре трубки будет ниже, чем по краям (то есть это будет вогнутый мениск). В ситуации, когда жидкость прилипает к стенкам своего сосуда, мы считаем, что часть площади поверхности жидкости, которая соприкасается с сосудом, имеет отрицательное поверхностное натяжение. Затем жидкость работает, чтобы максимизировать площадь поверхности контакта. Таким образом, в этом случае увеличение площади контакта с контейнером уменьшает, а не увеличивает потенциальную энергию. Этого уменьшения достаточно, чтобы компенсировать увеличение потенциальной энергии, связанное с подъемом жидкости вблизи стенок контейнера.

Иллюстрация капиллярного подъема и падения. Красный = контактный угол менее 90°; синий = краевой угол больше 90°

Если трубка достаточно узкая и прилипание жидкости к ее стенкам достаточно сильное, поверхностное натяжение может втягивать жидкость вверх по трубке в результате явления, известного как капиллярное действие. Высота, на которую поднимается колонна, определяется как:

где

• – высота подъема жидкости,
• – поверхностное натяжение жидкость-воздух,
• – плотность жидкости,
• – радиус капилляра,
• – ускорение свободного падения,
• — угол контакта, описанный выше. Если он больше 90°, как в случае с ртутью в стеклянном сосуде, жидкость будет скорее сдавлена, чем поднята.

Лужи на поверхности

Профильная кривая края лужи с контактным углом 180°. Кривая дается формулой: где

Небольшие лужицы воды на гладкой чистой поверхности имеют ощутимую толщину.

При наливании ртути на горизонтальный плоский лист стекла образуется лужа заметной толщины. Лужа растечется только до того места, где ее толщина будет чуть меньше полсантиметра, и не тоньше. Опять же, это связано с действием сильного поверхностного натяжения ртути. Жидкая масса выравнивается, потому что это приводит к максимально низкому уровню ртути, но в то же время поверхностное натяжение уменьшает общую площадь поверхности. В результате получается лужа почти фиксированной толщины.

Такую же демонстрацию поверхностного натяжения можно провести с водой, известковой водой или даже с солевым раствором, но только в том случае, если жидкость не прилипает к материалу плоской поверхности. Воск является таким веществом. Вода, вылитая на гладкую, плоскую, горизонтальную восковую поверхность, скажем, вощеный лист стекла, будет вести себя так же, как ртуть, вылитая на стекло.

Толщина лужицы жидкости на поверхности с краевым углом смачивания 180° определяется по формуле:

где

— глубина лужи в сантиметрах или метрах.

— поверхностное натяжение жидкости в динах на сантиметр или ньютонах на метр.

— ускорение свободного падения, равное 980 см/с 2 или 9,8 м/с 2

плотность жидкости в граммах на кубический сантиметр или килограммах на кубический метр

Иллюстрация того, как меньший контактный угол приводит к уменьшению глубины лужи

В действительности толщина лужи будет немного меньше, чем предсказывает приведенная выше формула, потому что очень немногие поверхности имеют контактный угол 180° с какой-либо жидкостью. Если угол контакта меньше 180°, толщина определяется по формуле:

Для ртути на стекле γ _Hg = 487 дин/см, ρ _Hg = 13,5 г/см ³ и θ = 140°, что дает h _Hg = 0,36 см. Для воды на парафине при 25 °C γ = 72 дин/см, ρ = 1,0 г/см ³ и θ = 107°, что дает h _{H 2 O} = 0,44 см.

Формула также предсказывает, что при краевом угле, равном 0°, жидкость будет растекаться микротонким слоем по поверхности. Говорят, что такая поверхность полностью смачивается жидкостью.

Дробление ручьев на капли

Промежуточная стадия распада струи на капли. Показаны радиусы кривизны в осевом направлении. Уравнение для радиуса потока: , где – радиус невозмущенного потока, – амплитуда возмущения, – расстояние вдоль оси потока, – волновое число

Основная страница: Неустойчивость Плато–Рэлея

В повседневной жизни мы все наблюдаем, что струя воды, вытекающая из крана, распадается на капли, независимо от того, насколько плавно струя выходит из крана. Это связано с явлением, называемым неустойчивостью Плато-Рэлея, которое полностью является следствием эффектов поверхностного натяжения.

Объяснение этой нестабильности начинается с существования крошечных возмущений в потоке. Они всегда присутствуют, независимо от того, насколько плавным является поток. Если возмущения разложить на синусоидальные компоненты, мы обнаружим, что некоторые компоненты со временем растут, а другие со временем затухают. Среди тех, которые растут со временем, некоторые растут быстрее, чем другие. Затухает компонент или растет, и как быстро он растет, полностью зависит от его волнового числа (мера того, сколько пиков и впадин на сантиметр) и радиусов исходного цилиндрического потока.

Таблица данных

Поверхностное натяжение различных жидкостей в дин/см по отношению к воздуху
Проценты смеси указаны по массе
дин/см эквивалентно единицам СИ мН/м (миллиньютон на метр)

Жидкость	Температура °C	Поверхностное натяжение, γ
Уксусная кислота	20	27,6
Уксусная кислота (40,1%) + вода	30	40,68
Уксусная кислота (10,0%) + вода	30	54,56
Ацетон	20	23,7
Диэтиловый эфир	20	17,0
Этанол	20	22,27
Этанол (40%) + вода	25	29,63
Этанол (11,1%) + вода	25	46. 03
Глицерин	20	63
n -Гексан	20	18,4
Соляная кислота 17,7 М водный раствор	20	65,95
Изопропанол	20	21,7
Жидкий азот	-196	8,85
Меркурий	15	487
Метанол	20	22,6
n – Октан	20	21,8
Хлорид натрия 6,0 М водный раствор	20	82,55
Сахароза (55%) + вода	20	76,45
Вода	0	75,64
Вода	25	71,97
Вода	50	67.91
Вода	100	58,85

Галерея эффектов

• Разрушение движущегося слоя воды, отскакивающего от ложки.

• Фотография текущей воды, прилипшей к руке. Поверхностное натяжение создает слой воды между потоком и рукой.

• Мыльный пузырь уравновешивает силы поверхностного натяжения и внутреннего пневматического давления.

• Поверхностное натяжение не позволяет монете утонуть: монета, несомненно, плотнее воды, поэтому она должна вытеснять больший объем, чем собственный, чтобы плавучесть уравновешивала массу.

• Ромашка. Весь цветок лежит ниже уровня (ненарушенной) свободной поверхности. Вода плавно поднимается по его краю. Поверхностное натяжение не позволяет воде заполнить воздух между лепестками и, возможно, затопить цветок.

• Металлическая скрепка плавает в воде. Несколько обычно можно осторожно добавить без перелива воды.

• Алюминиевая монета плавает на поверхности воды при температуре 10 °C. Любой дополнительный вес упадет монета на дно.

Картинки для детей

• Поток дождевой воды с навеса. Среди сил, управляющих образованием капель: поверхностное натяжение, сцепление, сила Ван-дер-Ваальса, неустойчивость Плато-Рэлея.

• Капля воды, лежащая на штофе. Поверхностное натяжение достаточно велико, чтобы предотвратить плавание под тканью

• На этой диаграмме показана сила, необходимая для увеличения площади поверхности. Эта сила пропорциональна поверхностному натяжению.

• Тензиометр силы

  использует метод кольца Дю Нуи и метод пластины Вильгельми.

• Распад вытянутой струи воды на капли из-за поверхностного натяжения.

• Молекулы на поверхности крошечной капли (слева) имеют в среднем меньше соседей, чем молекулы на плоской поверхности (справа). Следовательно, они слабее связаны с каплей, чем молекулы с плоской поверхностью.

• Алюминиевая монета плавает на поверхности воды при температуре 10 °C. Любой дополнительный вес упадет монета на дно.

• Металлическая скрепка, плавающая в воде.