Поверхностное натяжение задачи о жидкости с решениями и Глава 7. Поверхностное натяжение в жидкостях

Задача 5

Конец капиллярной трубки опущен в воду. Какое количество теплоты Q выделится при поднятии жидкости по капилляру? Краевой угол принять равным нулю (полное смачивание).

Решение. Жидкость поднимается согласно формуле (7.7.3) на высоту

Силы поверхностного натяжения совершают работу

На увеличение потенциальной энергии Ер идет половина этой работы. Следовательно, выделение теплоты происходит за счет другой половины. Таким образом,

Глава 7. Поверхностное натяжение в жидкостях

Задачи на материал данной главы отличаются от обычных задач на гидростатику лишь тем, что в них принимается во внимание еще одна сила — сила поверхностного натяжения, определяемая формулой (7.4.3).

Для решения задач используются также формулы для поверхностной энергии (7.3.2), давления под изогнутой поверхностью (7.6.6) и высоты поднятия жидкости в капилляре (7.7.3).

МЫЛЬНЫЕ ПЛЁНКИ

Для любознательных: Мыльные плёнки очень интересны. Они могут быть чрезвычайно тонки: в наиболее тонких частях их толщина не превосходит стотысячной доли миллиметра. Несмотря на свою тонкость, они иногда очень устойчивы. Мыльную плёнку можно растягивать и деформировать. Струя воды может протекать сквозь мыльную плёнку, не разрушая её. Смоченный мыльной водой стальной шарик пролетает сквозь мыльную плёнку, оставляя её целой. В момент пролёта он, очевидно, обволакивается плёнкой с обеих сторон и затем отрывается, причём повреждённое место поверхности немедленно возобновляется. Чтобы сохранить мыльную плёнку дольше в мыльный раствор прибавляют вещества увеличивающие его вязкость, например, сахар, глицерин.

Мыльные пузыриLes bulles de savonПьер Жан Эдмон Кастан, 1878 год

Пьер Жан Эдмон Кастан (Pierre Jean Edmond Castan; 1817–1892) – французский жанровый живописец.

А теперь внимание! Извлекаем из созерцаемого немножечко физики 😉

Какие силы удерживают мыльный пузырь? Имеет ли он в точности сферическую форму? Каково давление внутри пузыря? Как он ведёт себя в воздухе: поднимается вверх или опускается вниз? Есть ли на поверхности пузыря область, в которой разрыв наиболее вероятен? Почему на поверхностях мыльных пузырей видны радужные полосы?

Ответ: Мыльные пузыри удерживаются поверхностным натяжением. Поскольку жидкость стекает к основанию пузыря, его верхушка быстро утончается и рвётся скорее всего. Давление внутри пузыря больше атмосферного, так как поверхностное натяжение стремится сжать его. Радужные полосы на поверхностях мыльных пузырей возникают в результате интерференции световых волн, отражённых от наружной и внутренней поверхностей мыльного пузыря.

Продолжаем решать качественные задачи по физике 😉

Задача №10
Мыльная плёнка, затягивающая отверстие воронки, поднимается вверх, если держать воронку отверстием вниз. Почему? Сопроводите свой ответ демонстрацией.

Задача №11
На одном конце соломинки выдули мыльный пузырь и поднесли другой её конец к пламени горящей свечи. Почему пламя свечи будет отклоняться при этом в сторону?

Задача №12
Два мыльных пузыря – малый и большой – выдуты на разных концах одной и той же трубки. Какой пузырь после этого будет увеличиваться, а какой уменьшаться?

Ответ: Уменьшаться будет малый мыльный пузырь, так как в нём кривизна поверхности и, следовательно, избыточное давление больше, чем в большом пузыре.

Задача №13
Почему шёлковый платок не так хорошо вытирает пот, как хлопчатобумажный?

Задача №14
Почему волоски кисточки в воде расходятся, а в воздухе мокрые волоски кисточки слипаются?

Ответ: Кисть, опущенная в воду, смачивается ею. Когда кисть вынимают из воды, силы поверхностного натяжения стремятся уменьшить площадь поверхности.

Задача №15
Почему писать чернилами легко на плотной бумаге, трудно на промокательной (например, на салфетках) и нельзя писать на промасленной бумаге?

Ответ: Волокна целлюлозы на поверхности плотной бумаги хорошо смачиваются водным раствором чернил, но поры бумаги закрыты в процессе специальной обработки при её изготовлении. Поры у промокашек, салфеток открыты и втягивают в себя чернила – линия расплывается. Поверхность промасленной бумаги не смачивается.

Задача №16
Какие свойства материала (ткани, бумаги, сплава металла) необходимо учитывать для изготовления полотенец, салфеток, писчей бумаги?

Задача №17
Какой тряпкой вы быстрее соберёте лужу с пола – сухой или влажной? Ответ поясните.

Ответ: Влажной. В порах между нитями сухой тряпки находится воздух. Он выходит не сразу, тряпка плохо намокает. Раз намокнув, после того, как её отожмут, тряпка быстро впитывает воду.

Задача №18
Разломайте кусок мела и прикоснитесь языком к свежему излому. Почему язык «прилипает» к мелу? Положите в воду кусок мела. Из него во всех направлениях начнут выходить пузырьки. Объясните наблюдаемое явление.

Ответ: Мел – вещество пористое. Вода смачивает мел, входит в его поры. Проникая по капиллярам, вода вытесняет из мела воздух.

керосиновая лампаСо скидкойЧарльз Спенселей

Задача №19
Почему узел, затянутый на мокрой верёвке, трудно развязать, когда верёвка высохнет?

Задача №20
Почему новые холщовые и полотняные ткани после первой стирки «садятся» (холщовые рубашки могут оказаться на размер меньше)?

Ответ: Когда нитки ткани намокают, их покрывает водяная плёнка, силы поверхностного натяжения укорачивают нить и, тем самым, всё полотно.

Задача №21
Для чего нужен фитиль в керосиновой лампе или спиртовке?

Ответ: По капиллярам фитиля поднимаются керосин и спирт.

Задача №22
Большинство людей любят горячий суп больше, чем холодный. Дайте возможное объяснение, почему это так.

Чарльз Спенселей (Charles Spencelayh; 27.10.1865–25.06.1958) – британский жанровый живописец, портретист.

Задача №23
Какая жидкость обладает большей текучестью – молоко или сметана? Почему?

Задача №24
Одна стеклянная колба наполовину заполнена водой, а вторая ртутью. Какой будет форма этих жидкостей в состоянии невесомости? Колбы плотно закрыты притёртыми стеклянными пробками. Какую форму примет вода, если её выплеснуть из колбы?

Ответ: В закупоренной колбе с водой весь находившийся в колбе воздух соберётся внутри воды в виде шара, а вода заполнит колбу до пробки. В чистой стеклянной колбе, в которой налита вода, происходит полное смачивание водой стенок колбы. Поэтому вода в условиях невесомости (возникающей после выхода корабля на орбиту) растекается по стенкам, а поверхность жидкости на границе раздела вода – воздух принимает шарообразную форму, так как площадь свободной поверхности воды должна быть минимальной при данном объёме воздуха. Полное смачивание внутренней поверхности колбы и сокращение до минимума свободной поверхности жидкости соответствуют минимуму поверхностной энергии, что обеспечивает устойчивость состояния системы (подобно тому, как для тяжёлого тела устойчивым является его наинизшее состояние).
Ртуть во второй колбе примет форму шара.
В условиях невесомости сила тяжести не препятствует данному объёму воды сократить свою поверхность. Поэтому вода, выплеснутая из колбы, примет форму шара и будет свободно «плавать» по кабине корабля. Такая шарообразная «капля» может иметь большие размеры по сравнению с обычными каплями, в которых увеличение размера приводит к искажению формы под действием силы тяжести.

Шарообразная форма жидкости

Какое имеется лучшее доказательство того, что жидкости в невесомом состоянии принимают строго шарообразную форму?

Свойство жидкости принимать в условиях невесомости шарообразную форму наглядно демонстрируется знаменитым опытом Плато: оливковое масло, введённое в равноплотную с ним смесь спирта с водой, собирается в форме шара. Однако установить точными измерениями, что получающийся шар геометрически правилен, невозможно. Поэтому опыт Плато даёт лишь приближенное доказательство интересующего нас положения. Безусловно же строгое доказательство доставляет нам явление совершенно из другой области, а именно – радуга.
Теория радуги утверждает, что малейшее отклонение формы дождевых капель от геометрически правильного шара должно заметно сказаться на виде радуги, а при более значительных отклонениях радуга вовсе не может образоваться. Так как свободно падающая капля невесома, то здесь мы и имеем искомое доказательство.

Тут, если солнце блеснёт во мгле непогоды лучами    
Прямо против дождя, из тучи кропящего капли,    
Радуги яркой цвета появляются в облаке чёрном.    
Тит Лукреций Кар – римский поэт и философ.    РадугаКарой Марко, 1853 год

Карой Марко (Karoly Marko; 23.11.1793–19.11.1860) – венгерский живописец, мастер пейзажа-настроения.

Задача №25
В чистом стеклянном стакане налито некоторое количество воды. Как она расположится, если стакан с водой попадает в условия невесомости?

Ответ: Вследствие полного смачивания водой стенок стакана и отсутствия весомости вода покроет все стенки стакана как внутри, так и снаружи.

Задача №26
На какую высоту поднимается смачивающая жидкость в капилляре, если сосуд с жидкостью, куда опущен капилляр, находится в невесомости?

Ответ: Жидкость заполняет весь капилляр, так как сила поверхностного натяжения не уравновешивается силой тяжести жидкости в капилляре.

Задача №27
Почему два сухих листочка бумаги не слипаются, если их приложить друг к другу, а смоченные водой слипаются?

Задача №28
Слипнутся ли два листочка бумаги, если один из них смочить водой, а другой растительным маслом? Проведите эксперимент. Прокомментируйте результаты.

Задача №29
Две смоченные водой стеклянные пластинки трудно отделить друг от друга, пока они находятся в воздухе. Однако они разделяются без всяких усилий, если их опустить в воду. Чем это можно объяснить?

Ответ: Причина сцепления пластинок в воздухе – образование между ними водяной «лепёшки» с вогнутой боковой поверхностью. Погружение пластинок в воду приведёт к исчезновению этой поверхности, а вместе с ней – и стягивающего усилия.

Задача №30
Деревянная дощечка, положенная на дно сосуда и залитая затем водой, всплывает. Стеклянная пластинка, положенная на дно сосуда и залитая затем ртутью, не всплывает, хотя плавучесть стекла в ртути гораздо больше, чем плавучесть дерева в воде. Почему?

Ответ: Вода смачивает дерево и подтекает под дощечку. Ртуть не смачивает стекло и не подтекает под пластинку, а давление на пластинку сверху удерживает её от всплытия.

Задача №31
Почему при сушке дров на солнце на конце полена, находящегося в тени, выступают капельки воды?

Ответ: Часть полена, находящаяся в тени, холоднее. Поэтому капиллярные силы перемещают воду в этом направлении.

Задача №32
Чем объяснить, что соломенная кровля на крыше, состоящая из отдельных стебельков, между которыми имеется множество скважин, надёжно защищает от дождя?

соломенная кровля на крышеСело в Орловской губернииКлодт Михаил Константинович, 1864 год

Клодт Михаил Константинович (11.01.1833–29.05.1902) – русский художник-пейзажист. Первым из русских художников объединил жанровую картину с эпическим пейзажем.
Орловский Владимир Донатович (1842–1914) – украинский художник-пейзажист. Для творчества Владимира Орловского характерны романтические пейзажи, написанные в традиции академической школы, в которых воспроизводятся разнообразные эффекты освещения.

соломенная кровля на крышеВесенний день на УкраинеОрловский Владимир Донатович, 1882 год

Задача №33
Чтобы стены кирпичного здания не были сырыми, фундамент покрывают толем (листами картона, пропитанного каменноугольной смолой). Почему это помогает избавиться от сырости?

Ответ: Кирпичный фундамент содержит капилляры, по которым вода из почвы проникала бы в стены здания. Слой толя преграждает воде путь вверх.

Задача №34
Почему, прежде чем покрыть штукатурку масляной краской, предварительно производят грунтовку олифой?

Ответ: Предварительную грунтовку олифой производят, чтобы закрыть капилляры в штукатурке, в противном случае масло будет впитываться в капилляры, а красящий порошок оставаться на поверхности и легко осыпаться.

Задача №35
Почему железнодорожные деревянные шпалы, применяемые раньше, обязательно смолили, а в последующем заменили железобетонными?

Ответ: В результате явления капиллярности несмолёные деревянные шпалы впитывали бы влагу и быстро гнили.

Задача №36
Почему волейбольная сетка сильно натягивается после дождя?

Ответ: Из-за действия сил поверхностного натяжения.

Задача №37
Известно, что брезентовая палатка хорошо защищает от проникновения воды, но если во время дождя дотронуться до потолка рукой, он начинает протекать. Почему?

Ответ: Если прикоснуться к мокрой ткани рукой, то несколько маленьких капель, удерживаемых, как в решете, силами поверхностного натяжения, сливаются в одну большую каплю, которую эти силы уже не способны удержать.

Лагерь художниковThe Artist’s CampТомас Уильям Робертс, 1886 год

Томас Уильям Робертс (Thomas William Roberts (Tom Roberts); 09.03.1856–14.09.1931) – австралийский художник.

Задача №38
Масло сравнительно легко удаляется с чистой поверхности меди. Удалить ртуть с той же поверхности невозможно. Что можно сказать о взаимном притяжении между молекулами масла и меди, ртути и меди?

Задача №39
Почему ртуть обычно хранят в чугунных сосудах?

Задача №40
Почему воду из стеклянного пузырька можно отмерять каплями, а ртуть нельзя? Из какого материала должен быть пузырёк, чтобы из него можно было отмерять ртуть каплями?

Ответ: Вода смачивает стекло, ртуть – нет. Чтобы можно было отмерять ртуть каплями, пузырёк должен быть из олова, цинка, золота или других металлов.

Задача №41
Внесите в пламя спиртовки конец тонкой медной проволоки. Проволока оплавится: на её конце образуется маленький шарик. Объясните это явление.

Задача №42
Острые края расколотой стеклянной трубки обычно нагревают до плавления на спиртовке. Объясните, для чего это делают.

Задача №43
Какую функцию выполняет тонкий жировой слой на перьях водоплавающих птиц, например, уток?

Утки на рекеEnten am BachКарл Ютс, 1916 год

Карл Ютс (Carl Jutz; 22.09.1838–31.08.1916) – немецкий художник-анималист.

Роль поверхностных явлений в жизни живой природы

Для любознательных: Роль поверхностных явлений в жизни живой природы очень разнообразна. Например, поверхностная плёнка воды является для многих организмов опорой при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду только конечными члениками широко расставленных лапок; лапка, покрытая воскообразным налётом, не смачивается водой, а поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Последние исследования показали, что передние лапки водомерки являются «двигателем», обеспечивающим изменение скорости, а остальные 4 лапки – лишь опорой. Подобным образом передвигается и пизаурид – паук-рыболов. Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной плёнки воды с помощью особых несмачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приёмом, весьма успешно, пользуются личинки комаров (в том числе и малярийных).

Задача №44
Почему загрязнение воды нефтью очень опасно для водоплавающих птиц?

Утки гагиАрчибальд Торберн1912 годЧайкиАрчибальд ТорбернГагарка и КайрыАрчибальд Торберн1926 год

Арчибальд Торберн (Archibald Thorburn; 31.05.1860–09.10.1935) – шотландский художник-иллюстратор.

Задача №45
В результате аварии танкера-нефтевоза на поверхности разбушевавшегося моря расплылось некоторое количество нефти. Почему в этом месте водная стихия на некоторое время «успокоилась»?

Ответ: Плёнка нефти уменьшает силы поверхностного натяжения воды. Поэтому волна на короткое время гасится.

Задача №46
Почему на поверхности керосина и многих других горючих жидкостей никогда не бывает пыли?

Ответ: Керосин очень хорошо смачивает практически все тела, поэтому пылинки, попав на его поверхность, сразу тонут.

Задача №47
В колбу с узким горлышком налили керосин, уровень его в горлышке отметили резиновым колечком, а затем колбу опустили в горячую воду. Оказалось, что в первый момент уровень керосина опустился, а потом начал повышаться. Как вы можете это объяснить?

Ответ: Температурный коэффициент объёмного расширения у керосина много больше, чем у стекла, однако в первый момент после опускания в горячую воду керосин ещё не успевает прогреться.

Задача №48
Какой грунт сохнет скорее после дождя – песчаный или глинистый? Почему?

Ответ: Песчаный грунт просохнет быстрее, так как в нём содержится большое количество капилляров, по которым вода поднимается из почвы на поверхность.

Задача №49
Почему вспаханная почва после дождя покрывается коркой? Для чего эту корку обычно разрыхляют с помощью бороны или культиватора? Почему вспахивание и боронование земли способствует сохранению влаги в почве?

Ответ: Вспахивание и боронование земли способствует сохранению влаги в ней, потому что разрушает капиллярные трубки, чем уменьшает испарение с поверхности почвы.

Задача №50
Почему мелкие семена (например, семена моркови, петрушки) трудно сеять мокрыми руками?

Задача №51
При посадке (пересадке) цветочно-декоративных горшечных растений рекомендуют на дно горшка положить керамзитовый дренаж (слоем на 1/4-1/5 высоты горшка), а затем насыпать грунт. Поясните смысл этой рекомендации.

Ответ: Благодаря пористой структуре керамзит впитывает излишнюю воду и постепенно, по мере необходимости, отдаёт её растениям. Керамзитовый дренаж способствует созданию благоприятного для растений микроклимата – комфортного водно-воздушного режима.

Для любознательных: Керамзит – лёгкий пористый строительный материал, получаемый путём обжига глины или глинистого сланца. Используется как утеплитель в виде засыпки, а также для изготовления лёгкого бетона – керамзитобетона. Керамзит также используется в сельском хозяйстве и гидропонике; применяется в домашнем цветоводстве и в качестве составной части грунта в террариумах. Керамзит – экологически чистый материал!

Анютины глазкиАнри Фантен-Латур, 1874 годГортензии, гвоздикии анютины глазкиАнри Фантен-Латур, 1879 год

Анри Фантен-Латур (Henri Fantin-Latour; 14.01.1836–25.08.1904) – французский художник и литограф – мастер натюрморта.

Задача №52
Какую роль в жизни растений играет восковый налёт на поверхности листа?

Ответ: Воскообразный налёт на листьях растений препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений; наличием того же воскового налёта объясняется водонепроницаемость соломенной кровли и сена в стогах.

Задача №53
Поставьте стакан, наполненный водой, на подставку, а второй, пустой – на стол. Можно ли с помощью полоски сукна или другого материала перелить воду из верхнего стакана в нижний? Где подобное явление можно использовать на практике?

Ответ: Можно. Полоску сукна нужно расположить так, чтобы её концы лежали в обоих стаканах погружённые в воду до самого дна. В полоске сукна имеются капиллярные сосуды, благодаря которым она играет роль сифона. Опыт протекает медленно (сутками). Однако уже в первые минуты можно наблюдать, как вода движется по капиллярным сосудам материи. Это явление используется, например, для поливки комнатных цветов. Очень актуально для тех, кто собирается на пару недель в отпуск или в командировку, а оставить домашнюю оранжерею не на кого. Ведро с водой устанавливают на подставку или подоконник, а цветочные горшки на пол. Ленту бинта опускают одним концом в ведро с водой, а другим – на землю к цветам. Таким образом, в ваше отсутствие, будет происходить самостоятельный полив цветов.

самум – обжигающее дыхание смертиСамумФромантен Эжен

Фромантен Эжен (Eugene Samuel Auguste Fromentin-Dupeux, 24.10.1820–27.08.1876) – французский живописец, писатель и историк.

Задача №55
Познакомьтесь с процессом паяния. Чтобы расплавленный припой (например, сплав олова со свинцом) растекался на поверхностях спаиваемых металлических предметов, надо тщательно очищать эти поверхности паяльной жидкостью (например, хлористым цинком). Хлористый цинк освобождает поверхность металла от окислов. Примите во внимание громадные силы сцепления в металлах и объясните, почему необходимо соприкосновение припой с совершенно чистой металлической поверхностью.

Ответ: Расплавленный припой смачивает чистую металлическую поверхность и не смачивает окисленную.

Задача №56
Можно ли алюминий паять оловянным припоем?

Ответ: Можно, если разрушить оксидную плёнку. При неразрушенной плёнке нельзя, так как оксид алюминия не смачивается расплавленным оловом.

Задача №57
Как меняется сила поверхностного натяжения расплавленного алюминия при его остывании?

Ответ: Увеличивается ввиду того, что с понижением температуры уменьшаются межмолекулярные пространства, а силы сцепления возрастают.

Задача №58
Можно ли отливать металл в формы, сделанные из материала, который смачивается данным расплавленным металлом?

Ответ: Нет, так как будет происходить спаивание металла и материала формы.

Задача №59
Почему стальные изделия, упакованные в угольный порошок, не покрываются ржавчиной?

Ответ: Угольный порошок содержит тонкие капилляры, которые впитывают влагу, предохраняя стальные изделия от порчи.

Задача №60
Поясните принцип работы угольных фильтров для очистки воды.

Задача №61
Какая вода поднимется в капиллярных трубках выше – холодная или горячая? Где выше поднимается вода в капиллярных трубках равного диаметра – у подножия высокой горы или на её вершине при условии, что температура воды одинакова в обоих капиллярах?

Ответ: С повышением температуры поверхностное натяжение падет гораздо быстрее, чем уменьшается плотность жидкости, таким образом, холодная жидкость поднимется в капиллярных трубках выше горячей. Вода поднимется выше на вершине горы.

Южный пейзажКарл Хаш, 1880 год

Карл Хаш (Carl Hasch; 08.11.1834–04.01.1897) – австрийский живописец-пейзажист.

§ Приглашаю читателей полюбоваться горными пейзажами Кавказа на зелёной страничке «Фотоальбом: «Кавказ :: горные пейзажи». Вашему вниманию фотографии из туристического тура: «Весна в горах» и волшебный мир горного пейзажа в репродукциях картин великих русских художников.

Задача №62
Для получения свинцовой дроби расплавленный свинец льют сквозь узкие отверстия с некоторой высоты в воду, причём во время падения свинец застывает, принимая форму шариков. Объясните это.

Задача №63
Резервуар одного из двух термометров психрометра обмотан полоской ткани, конец которой опущен в сосуд с водой. Почему, несмотря на непрерывное испарение воды, ткань всё время остаётся влажной?

Ответ: Вследствие капиллярного поднятия воды.

Задача №64
Положите на поверхность воды сухое бритвенное лезвие. Если его брали пальцами, оно всегда покрыто тонким слоем жира. Лезвие будет плавать в воде. То же лезвие, тщательно вымытое мылом (не касаться после этого руками), не может плавать на поверхности воды. Объясните явления.

Ответ: Так как жир не смачивается водой, над лезвием слой воды отсутствует и лезвие опускается в воду до тех пор, пока сила давления воды снизу не уравновесит вес лезвия. В случае чистого лезвия вода растекается по нему и лезвие тонет.
Примечание: Для проведения опыта можно использовать не бритвенное лезвие, а обыкновенную швейную иглу (только не слишком толстую). Можно обмазать её слегка маслом или свиным салом. Опускать иголку на поверхность воды нужно очень аккуратно. Можно сделать так: положить иглу на лоскуток папиросной бумаги, а затем постепенно, сгибая вниз края листочка другой иглой, погрузить всю бумагу под воду. Лоскуток упадёт на дно, а игла останется на поверхности.

Задача №65
С какой целью, производя анализ жидкой краски, в неё опускают полоски фильтровальной бумаги? Как зависит уровень подъёма краски от её состояния?

Ответ: С целью определения качества красителя. Уровень подъёма красителя с большей плотностью ниже, так как высота подъёма жидкости по капилляру пропорциональна плотности жидкости.

Задача №66
Как и почему плотность ткани сказывается на качестве окраски в жидких красителях?

Ответ: В плотной ткани, за счёт капиллярных явлений, нити намокают равномернее.

Задача №67
Подставьте палец под тонкую водопроводную струю на расстоянии нескольких сантиметров от крана – там, где струя ещё не распалась на капли. На что станет похожа часть струи над пальцем? Почему?

Ответ: Часть струи над пальцем «сморщится» в гармошку. Водяная струя как бы стянута плёнкой. Под влиянием внешних воздействий, например пальца, эта плёнка деформируется, и в ней начинаются поверхностные (капиллярные) колебания, придающие струе форму гармошки.

Задача №68
Струйка стекающего с ложки мёда, постепенно утончается, а затем внезапно прерывается и поднимается вверх, образуя на конце круглую каплю. Проведите этот сладкий и ароматный эксперимент 😉 Объясните наблюдаемое.

Задача №69
Почему струйка воды, вытекающая из крана самовара, постепенно делается тоньше, а затем распадается на капли?

Ответ: В процессе вытекания воды из самовара уменьшается статическое давление и уменьшается скорость вытекания струи, поэтому больше сказываются силы поверхностного натяжения.

Задача №70
В каком случае из крана самовара падают более тяжёлые капли: когда вода горяча или когда она остыла?

Ответ: Вес капли зависит от величины поверхностного натяжения жидкости: капля отрывается тогда, когда её вес достаточен для разрыва поверхностной плёнки на шейке образующейся капли. Чем больше поверхностное натяжение, тем капля тяжелее. Известно, что с повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается (для воды на 0,23% на каждый градус) следовательно, при остывании воды в самоваре вес капель будет расти.

§ Замечательный рецепт яблочного пирога для старательного ученика 😉 на зелёной страничке «Алма-атинские яблоки :: именитый алма-атинский апорт».

Маковский Владимир Егорович (07.02.1846–21.02.1920) – русский жанровый живописец, академик и действительный член Императорской Академии художеств, член Товарищества передвижных художественных выставок. Брат Константина Егоровича Маковского.

Желаю Вам успехов в самостоятельном решениикачественных задач по физике!

Литература:
§ Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физикиМосква: издательство «Просвещение», 1988
§ Лукашик В.И. Физическая олимпиадаМосква: издательство «Просвещение», 1987
§ Тарасов Л.В. Физика в природеМосква: издательство «Просвещение», 1988
§ Перельман Я.И. Знаете ли вы физику?Домодедово: издательство «ВАП», 1994
§ Золотов В.А. Вопросы и задачи по физике 6-7 классМосква: издательство «Просвещение», 1971
§ Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физикеМосква: издательство «Просвещение», 1972
§ Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике 6-7 классМосква: издательство «Просвещение», 1978
§ Ердавлетов С.Р., Рутковский О.О. Занимательная география КазахстанаАлма-Ата: издательство «Мектеп», 1989.

Ответ появился в сборнике – задача№46
На поверхности керосина и многих других горючих жидкостей никогда не бывает пыли потому, что керосин очень хорошо смачивает практически все тела, пылинки, попав на его поверхность, сразу тонут.

Помогите решить задачку:
Почему из сухого песка нельзя слепить фигурку или построить замок, а из мокрого – можно?

Жидкая плёнка охватывает песчинки песка и стягивает их силами поверхностного натяжения.
Строительство замков и скульптур из песка это целое искусство.
Осенью 2015 года в музее-заповеднике “Коломенское” проходила Всероссийская выставка скульптур из песка: “Шедевры мировой литературы”. Проект был посвящён, проходившему в России Году литературы.

“Думаю, что прилежному ученику, справившемуся с качественными
задачами по физике, представленными на этой зелёной страничке, очень даже полагается кусочек сладкого бабушкиного пирога и стаканчик душистого чая”
ГЕНИАЛЬНО!

Помогите решить задачу: Почему большинство твёрдых тел в своей жидкости тонут? Какие есть исключения и почему там наоборот? Что происходит при плавлении и кристаллизации?

Дорогая Елена, вопрос ваш несколько не в тему 🙂 Наверное, его стоит перенести в шкатулку качественных задач по физике “Плавление и кристаллизация” 😉
Ответ:
При плавлении плотность большинства веществ уменьшается. Следующий опыт служит иллюстрацией этого положения. Бросим в расплавленный парафин кусочек твёрдого парафина. Он утонет. Значит, плотность расплавленного парафина меньше плотности твёрдого парафина. Парафин при плавлении увеличивает свой объём. Так же ведут себя и многие другие вещества. Это явление показывает, что при правильном упорядоченном расположении молекул в кристалле занимаемый объём меньше, чем при беспорядочном их расположении в жидкости.
Однако из этого общего правила есть несколько исключений: вода, висмут, чугун. Из них самое важное – вода. Лёд, как известно, плавает в воде; его плотность заметно меньше плотности воды. Это обстоятельство играет большую роль в природе. Слой льда на поверхности воды, покрытый сверху плохо проводящим тепло снегом, прекрасно защищает воду, находящуюся под ним, от охлаждения. Таким образом, водоёмы не промерзают до дна, и это спасает от гибели живущих в них рыб.
А вот о том, что происходит при плавлении и кристаллизации стоит прочитать в учебнике 😉 Например, в первом томе элементарного учебника по физике под редакцией академика Григория Самуиловича Ландсберга.

Душевно! Классная физика!

ШКАТУЛКИ КАЧЕСТВЕННЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ

§ Физика и География Казахстана
Совместный проект: ОФРО «БЭСТ» и Технический лицей №165 (г. Алма-Ата)

§ Шкатулка качественных задач по физике «сборная солянка» 🙂
Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые, иначе такое бросание будет пустою забавою. Козьма Прутков
Шкатулка состоит из четырёх тематических блоков: 1) Броуновское движение. Диффузия; 2) Атмосферное давление; 3) Свойства жидкости. Архимедова сила; 4) Тепловые явления.

§ Шкатулка качественных задач по физике: Строение вещества, диффузия
Творчество поэта, диалектика философа, искусство исследователя – вот материалы, из которых слагается великий учёный. Климент Аркадьевич Тимирязев

§ Шкатулка качественных задач по физике:Элементы статики: равновесие тел, момент силы, простые механизмы
Науку всё глубже постигнуть стремись, познанием вечного жаждой томись. Лишь первых познаний блеснёт тебе свет, узнаешь: предела для знания нет. Фирдоуси

§ Шкатулка качественных задач по физике: Сила трения
Гораздо труднее увидеть проблему, чем найти её решение. Для первого требуется воображение, а для второго только умение. Джон Десмонд Бернал

§ Шкатулка качественных задач по физике: Давление твёрдых тел
Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые. Дьёрдь де Хевеши

§ Шкатулка качественных задач по физике: Давление жидкостей и газов
Сведение множества к единому – в этом первооснова красоты. Пифагор Самосский

§ Шкатулка качественных задач по физике: Испарение, конденсация, кипение
Приложи сердце твоё к учению и уши твои – к умным словам. Библия, Ветхий Завет, «Книга Притчей Соломоновых»

§ Шкатулка качественных задач по физике: Виды теплопередачиРадость видеть и понимать есть самый прекрасный дар природы. Альберт Эйнштейн

§ Шкатулка качественных задач по физике: Тепловые двигатели
Живи так, как будто ты умрёшь завтра. Учись так, как будто ты будешь жить вечно. Махатма Ганди

§ Шкатулка качественных задач по физике: Электричество
Инвестиции в знания всегда дают наибольшую прибыль. Бенджамин Франклин

§ Шкатулка качественных задач по физике: Магнитные явления
Знание должно служить творческим целям человека. Мало накоплять знания; нужно распространять их возможно шире и применять в жизни. Николай Александрович Рубакин

§ Шкатулка качественных задач по физике: Механические волны – звукМногие вещи нам непонятны не потому, что наши понятия слабы, но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий. «Плоды раздумий», Козьма Прутков

§ Шкатулка качественных задач по физике: Оптика (Световые явления)Надо много учиться, чтобы знать хоть немного. Шарль Луи Монтескье

ФИЗИКА И ХУДОЖЕСТВЕННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Качественные задачи по физике

§ Физика и художественная литература: Оптика (Н.В. Гоголь и Х.К. Андерсен)Едва ли есть высшее из наслаждений, как наслаждение творить.Николай Васильевич Гоголь
Качественные задачки по физике Николая Васильевича Гоголя и Ханса Кристиана Андерсена 😉 Интеграция: Мировая художественная литература и живопись.

§ Физика и художественная литература: Оптика
Басня «Зеркало и Обезьяна» Ивана Андреевича КрыловаЛюди, пренебрегающие знанием, становятся лицом к стене.Изречения китайской мудрости

§ Физика и художественная литература: Оптика
Басня «Мартышка и Очки» Ивана Андреевича КрыловаНаше дело – учиться и учиться, стараться накоплять возможно больше знаний, потому что серьёзные общественные течения – там, где знания, и счастье будущего человечества только в знании.Антон Павлович Чехов

§ Физика и художественная литература: Механика
Басня «Лебедь, Щука и Рак» Ивана Андреевича КрыловаБезрассуден человек, надеющийся без учения различать полезное и вредное.Сократ

§ Физика и художественная литература: Механические волны – звукОсобенностью живого ума является то, что ему нужно лишь немного увидеть и услышать для того, чтобы он мог потом долго размышлять и многое понять. Джордано Бруно

§ Физика и художественная литературапоэтический сборник для истинных ценителей науки и искусства
Наука без литературы бездушна и груба; литература же без науки пуста, ибо сущность литературы есть знание. Анатоль Франс

§ Физика и художественная литература (Антон Павлович Чехов)
Образование делает людей лёгкими для направления, но трудными для управления; лёгкими для правления, но невозможными для порабощения. Уильям Блэйк

§ Физика и художественная литература (Владимир Галактионович Короленко)
Вдохновение не есть исключительная принадлежность художника: без него не далеко уйдёт и учёный, без него не много сделает даже ремесленник, потому что оно везде, во всяком деле, во всяком труде. Виссарион Григорьевич Белинский

§ Физика и художественная литература (Александр Иванович Куприн)
Человек рождён для великой радости, для беспрестанного творчества, в котором он – бог, для широкой, свободной, ничем не стеснённой любви ко всему; к дереву, к небу, к человеку, к собаке, к милой, кроткой, прекрасной земле, ах, особенно к земле с её блаженным материнством, с её утрами и ночами, с её прекрасными ежедневными чудесами. Александр Иванович Куприн

§ Физика и художественная литература (Константин Георгиевич Паустовский)
Знание органически связано с человеческим воображением. Этот на первый взгляд парадоксальный закон можно выразить так: сила воображения увеличивается по мере роста познаний. Константин Георгиевич Паустовский

§ Физика и художественная литература (Иван Алексеевич Бунин)
Наука и искусство так же тесно связаны между собой, как лёгкие и сердце, так что если один орган извращён, то и другой не может правильно действовать.
Лев Николаевич Толстой

§ Физика и художественная литература (Иоганн Вольфганг Гёте «Фауст»)
Гёте представляет, быть может, единственный в истории человеческой мысли пример сочетания в одном человеке великого поэта, глубокого мыслителя и выдающегося учёного. Климент Аркадьевич Тимирязев

§ Физика и художественная литература (Майн Рид «Всадник без головы»)Целью научных занятий должно быть направление ума таким образом, чтобы оно выносило прочные и истинные суждения о всех встречающихся предметах.
Рене Декарт
Предлагаю Вашему вниманию интегрированные качественные задачи по физике от прославленного английского капитана Майн Рида.

Распространение материалов сайта приветствуется.
Ссылка на материалы весьма желательна, но не строго обязательна 😉
«Знание должно служить творческим целям человека. Мало накоплять знания;
нужно распространять их возможно шире и применять в жизни». Рубакин Н.А.

Задача 4

Длинную стеклянную капиллярную трубку, радиус канала которой r = 1 мм, закрыли снизу и наполнили водой. Трубку поставили вертикально и открыли ее нижний конец, при этом часть воды вылилась. Какова высота столба оставшейся в капилляре воды?

Решение. Столб воды в поставленной вертикально трубке удерживается верхним и нижним менисками (рис. 7.30). Давление в точке В под верхним мениском

Индивидуальные задания

2.4.1. При определении силы поверхностного
натяжения капельным методом число
капель глицерина, вытекающего из
капилляра, составляет

.
Общая масса глицерина

,
а диаметр шейки капли в момент отрыва

.
Определить поверхностное натяжение
глицерина. Ответ:

2.4.2. Какую силу

необходимо приложить к горизонтальному
алюминиевому кольцу высотой

и внешним диаметром

,
чтобы оторвать его от поверхности воды?
Какую часть найденной силы составляет
сила поверхностного натяжения? Ответ:

2.4.3. Кольцо внутренним диаметром

подвешено на пружине и соприкасается
с поверхностью жидкости. Жесткость
пружины

.
При опускании поверхности жидкости
кольцо оторвалось от нее при растяжении
пружины на

.
Найти поверхностное натяжение жидкости.
Ответ:

2.4.4. Спирт по каплям вытекает из сосуда
через вертикальную трубку внутренним
диаметром

.
Капли отрываются через время

одна после другой. Через какое время
вытечет масса

спирта? Диаметр шейки капли в момент
отрыва считать равным внутреннему
диаметру трубки. Ответ:

2.4.5. Считая процесс образования мыльного
пузыря изотермическим, определите
работу, которую надо совершить, чтобы
увеличить его диаметр от

.
Поверхностное натяжение мыльного
раствора принять равным

2.4.6. Две капли воды радиусом

каждая слились в одну большую каплю.
Считая процесс изотермическим, определите
уменьшение поверхностной энергии при
этом слиянии, если поверхностное
натяжение воды

2.4.7. Давление воздуха внутри мыльного
пузыря на

больше атмосферного. Определите диаметр
пузыря. Поверхностное натяжение мыльного
раствора

2.4.8. Воздушный пузырек диаметром

находится на глубине

под поверхностью воды. Определите
давление воздуха в этом пузырьке.
Атмосферное давление примите нормальным.
Поверхностное натяжение воды

,
а ее плотность

2.4.9. Во сколько раз плотность воздуха в
пузырьке, находящемся на глубине

под водой, больше плотности воздуха при
нормальном атмосферном давлении? Радиус
пузырька

2.4.10. В сосуд с ртутью опущен открытый
капилляр, внутренний диаметр которого

.
Разность уровней ртути в сосуде и в
капилляре

.
Найти радиус кривизны мениска в капилляре.
Ответ:

2.4.11. Найти разность уровней ртути в двух
сообщающихся капиллярах, внутренние
диаметры которых равны

.
Несмачивание считать полным. Ответ:

2.4.12. Капилляр с внутренним радиусом

опущен в жидкость. Найти поверхностное
натяжение жидкости, если известно, что
в капилляр поднялась масса жидкости

2.4.13. Вертикальный капилляр длиной

с запаянным верхним концом привели в
соприкосновение с поверхностью жидкости,
после чего она поднялась на высоту

,
диаметр внутреннего канала капилляра

.
Найти коэффициент поверхностного
натяжения жидкости, считая смачивание
полным. Ответ:

2.4.14. Какую силу

надо приложить, чтобы оторвать друг от
друга (без сдвига) две смоченные
фотопластинки размером

?
Толщина водяной прослойки между
пластинками

.
Смачивание считать полным. Ответ:

2.4.15. Между двумя горизонтальными
плоскопараллельными стеклянными
пластинками помещена масса

ртути. Когда на верхнюю пластинку
положили груз массой

,
расстояние между пластинками стало
равным

.
Пренебрегая массой пластинки по сравнению
с массой груза, найти поверхностное
натяжение ртути. Несмачивание считать
полным. Ответ:

Задача 2

Смачиваемый водой кубик массой m = 0,02 кг плавает на поверхности воды. Ребро кубика имеет длину а = 0,03 м. На каком расстоянии х от поверхности воды находится нижняя грань кубика?

Решение. Архимедова сила уравновешивает силу тяжести кубика и силу поверхностного натяжения. Следовательно,

Силы поверхностного натяжения вносят поправку около 1 мм.

Задача 6

Капиллярная трубка погружена в воду таким образом, что длина непогруженной ее части составляет l = 0,2 м. Вода поднялась в трубке на высоту

В этом положении верхний конец трубки закрывают пальцем и трубку погружают в воду до тех пор, пока уровень воды в ней не сравняется с уровнем воды в сосуде. Найдите длину выступающей из воды части трубки в этом положении. Внешнее давление р0 = 105 Па.

Решение. Согласно формуле (7.7.3)

Найдем давление воздуха, которое установится в погруженном закрытом сверху капилляре после выравнивания уровней воды (в сосуде и капилляре). Обозначим давление воздуха в капилляре буквой р, тогда под вогнутой поверхностью
воды в капилляре давление равно

(см. § 7.6). Так как жидкость в капилляре и сосуде находится в равновесии, то давление на жидкость в сосуде (атмосферное давление р0) равно давлению

Полагая температуру неизменной и применив закон Бойля—Мариотта, получим

Найдем из уравнения (7.8.7) значение σ и подставим его в выражение (7.8.8):

И наконец, подставив в (7.8.10) выражение (7.8.11) для р, окончательно получим

<<< К началу

Задача 1

Определите энергию, освободившуюся при слиянии мелких капель воды радиусом r = 2 • 10-3 мм в одну большую каплю радиусом R = 2 мм. Считать, что при слиянии мелких капель температура не изменяется. Поверхностное натяжение воды равно σ = 7,4 • 10-2 Н/м.

Решение. Обозначим число мелких капель через п. Тогда общая поверхность всех мелких капель

S1 = 4πr2n.

Поверхность одной большой капли

S2 = 4πR2.

Поверхностная энергия всех мелких капель

Uп1 = σ • 4πr2n,

а одной крупной капли

Uп2 = σ • 4πR2.

Так как температура не изменялась, то кинетическая энергия молекул воды тоже не изменилась. Следовательно, выделение энергии произошло за счет уменьшения потенциальной (поверхностной)энергии:

Q = Uп1 – Uп2 = 4πσ(r2n – R2).                     (7.8.1)

Чтобы найти число капель n, учтем, что объем воды не изменился. Сумма объемов мелких капель

Подставляя это значение n в выражение (7.8.1), получим

Задачи для самостоятельного решения

• Рассчитать
  число капель раствора сульфацила
  натрия, вытекающих из сталагмометра,
  если число капель воды равно 12.
  Поверхностное натяжение раствора и
  воды равно: 
  = 52,4 
  10-3
  Н/м, Н2О
  = 71,97 
  10-3 Н/м
  при 298 К.
• Найти
  длину молекулы пропионовой кислоты (М
  = 74) на поверхности раздела фаз «водный
  раствор-газ», если площадь занимаемая
  одной молекулой равна 28 
  10-20 м2,
  а плотность кислоты равна 1,138 
  103 кг/м3.
• Во сколько
  раз уменьшится поверхностное натяжение
  сыворотки крови при увеличении
  температуры на 6С,
  если методом Ребиндера получены
  следующие данные:
• Даны
  константы уравнения Шишковского: а =
  13,82
  10-3,
  в = 9,8 для водного раствора свекловичного
  пектина. При какой концентрации
  поверхностного натяжения раствора
  будет равно 59,4
  10-3
  Н/м, если Н2О
  = 75,62 
  10-3 Н/м?
• Рассчитать
  поверхностный избыток (кмоль/м2)
  для водных растворов фенола при 20С
  на основании приведенных величин
  поверхностного натяжения:

Поверхностное
натяжение воды равно 72,75 
10-3
Н/м.

6.
Рассчитать поверхностную активность

для водного раствора глицерина с
концентрацией 5,2 
10-3
моль/м3
при 23С,
если поверхностный избыток равен 50 
10-9
кмоль/м2.

7 – 16. По
приведенным в таблице данным рассчитайте
величины обозначенные знаком «?».

Плотность
воды принять равной 1
103
кг/м3

3. Максимальный термометр можно осуществить следующим образом. Вне столбика жидкости горизонтально расположенного термометра (рис. 7) поместить небольшое не смачиваемое жидкостью тело, которое может свободно перемещаться вдоль трубки термометра. Положение тела укажет максимальную температуру, так как при расширении жидкости тело будет перемещаться вдоль трубки, а при сжатии останется на месте.

Аналогично можно осуществить и минимальный термометр. Для этого смачиваемое жидкостью термометра тело нужно поместить внутрь жидкости.

4. Поверхностное натяжение чистого бензина меньше, чем поверхностное натяжение бензина, в котором растворен жир. Поэтому при смачивании бензином краев пятна оно стягивается к центру. При смачивании же самого пятна оно будет растекаться по ткани.

5. Внутри кожи имеется большое количество капилляров. Внутри капилляра постоянного сечения капелька смачивающей жидкости будет находиться в равновесии. Нагревание жидкости уменьшает поверхностное натяжение. Поэтому жидкость втягивается в сторону холодной части капилляра. Ботинки надо нагревать снаружи.

6. Жир расплавляется, и силы поверхностного натяжения перемещают его на поверхность холодной ткани, подложенной под костюм (см. задачу 5).

7. Часть полена в тени холоднее. Поэтому силы поверхностного натяжения перемещают воду в этом направлении.

9. Будет, пока воздух не перейдет из маленького пузыря в большой.

10. Капля устремится к узкому концу трубки, так как давление меньше под поверхностью меньшего радиуса кривизны.

11. 30 см; нет.

15. 7,5 • 10-5 кг.

17. Мениск имеет форму вогнутого сферического сегмента;

19. Надо направить струю воды с малой скоростью сразу на стенку сосуда. Смачивая стенку, вода будет прилипать к ней.

Если есть центрифуга, то при вращении сосуда вода будет прижиматься к дальней от оси вращения стенке, а оттуда ее можно забирать шприцем. Летчик-космонавт А. А. Серебров предложил более простой способ. Надо поместить внутрь сосуда длинный узкий предмет, например черенок ложки, к которому прилипает вода. Жидкость «расползается» по черенку, поднимается к горловине сосуда и отсасывается оттуда шприцем.

20. Вода не смачивает поверхности тарелок, но впитывается тканью тряпки.