Минутка теории: что такое поверхностное натяжение воды

Большая часть Земли состоит из воды и других жидкостей. На бытовом уровне мы это замечаем на примере рек и океанов, облаков и гейзеров. Но на самом деле у воды много секретов: она растягивается, сжимается, замерзает, тает и испаряется.

Сегодня будем исследовать эффект, который называется поверхностное натяжение воды. По определению в физике это «удельная работа увеличения поверхности при ее растяжении при условии постоянства температуры». Это явление возникает из-за того, что молекулы любого вещества притягиваются друг ко другу.

По сути, поверхностное натяжение — это такая невидимая эластичная оболочка, которая есть у любой жидкости: хоть у воды, хоть у молока. Она возникает потому, что жидкость старается сохранить свою площадь — поэтому молекулы крепко притягиваются друг ко другу, подобно защитникам в американском футболе, которые сцепились за локти и никого не пропускают.

Поверхностное натяжение можно заметить только в жидкости. В газе молекулы находятся слишком далеко друг от друга, и мы его не видим, а в твердом теле есть четкая структура, и молекула не может из нее выйти.

Именно из-за этого эффекта некоторые насекомые могут ходить по воде, а еще значение фразы «полная чаша» приобретает более глубокий смысл. Почему и как все это происходит — мы узнаем на собственном опыте. А каникулы — самое время собраться всей семьей и отправиться в мир исследований законов физики за пределами школьного класса.

Подготовимся: что взять с собой на улицу

Чтобы физика не превратилась в физкультуру и мы не бегали домой за разными предметами, сразу возьмем все необходимое с собой:

• Бутылка воды или несколько бутылок с разными жидкостями — масло, сок, какао на случай замерзания)
• Пластиковый стаканчик
• Монетки или камушки — 10 штук
• Скрепки
• Ватные палочки
• Мыльный раствор или мыльные пузыри
• Пипетка или шприц без иглы
• Лист бумаги или салфетки
• Спички
• Рамка
• Спицы или коктейльные трубочки (2 штуки)

А теперь с этой сумочкой отправляемся на встречу опытам.

Опыт 1. «Чай с горкой»

Если очень голоден, можно положить себе гарнир или, чего уж греха таить, десерт с горкой. Но получится ли сделать то же самое с напитком — вопрос, на который мы и хотим ответить.

Что делать. Нальем в стакан любую жидкость до краев. А теперь бросим туда монетку — по закону Архимеда объем вытесненной воды равен объему погруженного тела. То есть у нас должна была вылиться вода объемом с монетку, но этого не произошло.

Подкиньте еще несколько монет по одной до тех пор, пока над стаканом не появится горка из чая. Полюбуйтесь — это же чай с горкой!

Почему так. Горка появилась из-за поверхностного натяжения воды — она есть у всех видов жидкости: чая, кофе, молока. Поверхностное натяжение — это невидимая пленка, которая образуется из молекул на границе жидкости и воздуха.

Это те же самые молекулы чая, что и внутри нашей чашки, но сцеплены они более плотно — вот поверхность и сжимается. Именно поэтому горка жидкости держится и не выливается сразу.

Добивка опыта. В какой-то момент «терпение» воды иссякнет, и она все-таки польется через край. Проследите за этим внимательно — из-за того же поверхностного натяжения вода стекает ручейком и выливается не только с горки, но и из самого стакана — то есть была горка, а стала ямка. У кого-то молоко убежало, а у кого-то вода уползла.

А если не хочется выходить на улицу — проведите тот же эксперимент дома. Еще больше опытов собрали для вас в бесплатном PDF-файле. Скачивайте и проводите каникулы с пользой!

Скачать PDF-файл «Физические опыты дома»

Опыт 2. «Водомерка может, и я смогу»

Есть такие насекомые, которые передвигаются по поверхности воды — не плывут, а именно ходят, бегают и ползают по ее поверхности и не тонут. Например, водомерка — маленький клоп.

Ну так вот: нам интересно, почему они не тонут. Можно предположить, что дело в плотности тела, но никто специально не узнавал их плотность. А если вместо водомерки взять, допустим, лед (его плотность меньше воды, и он действительно не тонет), то он все-таки плавает, частично погруженный в воду. Нам такое не подходит, поэтому разбираемся сами.

Что делать. Возьмем стакан с водой и бросим в него металлическую скрепку или монетку. Она обязательно утонет — металлическая же.

А теперь возьмем еще одну скрепку и положим ее на лист бумаги или салфетки. Теперь эту бумажку аккуратно кладем на поверхность воды. Какое-то время бумага продержится, а затем намокнет и утонет. Но не скрепка — она останется плавать на поверхности.

Почему так. Внимательно понаблюдайте за скрепкой — вокруг нее вода как бы прогибается. Это все еще наши невидимые «футболисты-защитники» в виде молекул, которые притягиваются друг ко другу, чтобы удержать эластичную оболочку поверх воды.

Скрепка немного продавливает и растягивает эту оболочку, но не тонет, как в первом случае без бумаги. Это происходит потому, что с бумагой мы опустили ее в воду медленно — вот и скрепка опускается на воду тоже медленно и ровно, нигде не продавливая воду ни сильнее, ни слабее.

Поверхностному натяжению это все же не нравится — молекулы воды все еще хотят сохранить оболочку и кидают все силы на эту задачу. Вместо того чтобы сдаться, разорвать оболочку и утопить монетку, сила поверхностного натяжения направляется вверх и уравновешивает вес монетки — вот она и не тонет. С водомеркой та же история.

Добивка опыта. Если мы будем менять поверхностное натяжение, монетка будет двигаться. Просто ткнем пальцем рядом, и она утонет. Но это скучно. Лучше возьмем ватную палочку, сильно смочим ее в мыльном растворе (он увеличивает поверхностное натяжение воды) и уже ей коснемся воды рядом с монеткой — тогда она будет отодвигаться от палочки.

Опыт 3. «Конкурс странных шапочек»

В этом эксперименте попытаемся ответить на вопрос: «Сколько капель воды поместится на монетке прежде, чем вода с нее стечет?» Гугл точных чисел не дает, поэтому придется проверить самим.

Что делать. Возьмем монетку, воду и шприц без иголки или пипетку. Начнем по капельке капать жидкость на монетку. Одна есть, две, три — в какой-то момент, если посмотреть сбоку, покажется, что монетка нарядилась в шапочку из воды. Миленько! Но почему вода не стекает?

Почему так. Это все еще поверхностное натяжение воды — она стремится уменьшить свою площадь, то есть жидкости проще остаться на монетке, чем растечься по столу. И чем ближе форма капли к шару, тем меньше плотность ее поверхности и тем большее количество молекул притягивается друг ко другу.

Добивка опыта. А в чем же конкурс? В том, что можно брать совершенно разные жидкости и проверять, сколько их капель поместится на той же самой монетке. Например, раз уж мы на улице, выясним, сколько капель горячего какао поместится на монетке по сравнению с обычной водой.

Опыт 4. «Плыви-плыви, моя звезда»

Что делать. Возьмите 10 спичек и сложите их в форму снежинки прямо на снегу. Капните воды из шприца или пипетки в середину снежинки и наблюдайте за магией: спички начнут раздвигаться. Если звезда образовалась не до конца — капните еще воды, у нас же целый стакан с первого опыта остался!

Почему так. Вода все еще стремится уменьшить площадь своей поверхности. Поэтому ей проще подвинуть спички, чем изменить форму поверхности и растечься.

Добивка опыта. Попробуйте повторить опыт, выложив спички солнышком — движение станет еще заметнее.

Опыт 5. «Мыльные пузыри»

Размер мыльных пузырей зависит от размера и формы фигуры, через которую мы их дуем. Попробуем сконструировать универсальный размер.

Что делать. Нам понадобится рамка — можно взять рамку для фотографий или сделать свою: скрутить ее из проволоки или собрать из коктейльных трубочек и скотча. Сверху на грани рамки положим спицы (или те же трубочки), чтобы они могли легко кататься туда-сюда.

Еще нам нужна емкость с мыльным раствором, в которую влезет вся эта конструкция. Опускаем, раздвигаем спицы на желаемое расстояние — и ничего. Вселенский заговор не дает сделать пузырьки, так как спицы скатываются обратно.

Почему так. Поверхностное натяжение воды — бессердечное явление, оно работает везде и всегда, даже если речь идет о запуске мыльных пузырей. Вода, даже мыльная, стремится уменьшить площадь своей поверхности, вот и стягивает спицы.

Добивка опыта. Если спицы придерживать руками, когда достаешь их из мыльного раствора, надуть пузыри все же можно. Но форму куба они не примут.

Опыт 6. «Елочная игрушка handmade»

Зима зиме рознь — где-то на улице +10, а где-то и −50. Если вы сейчас находитесь ближе ко второй области — можете очень быстро сделать елочный шарик.

Что делать. Надуйте мыльный пузырь на улице. Если температура хотя бы −10 или −15, то пока шарик падает на землю, он замерзнет и не лопнет, а скорее разобьется.

Почему так. Мыло увеличивает поверхностное натяжение, поэтому оно по большей части скапливается снаружи и внутри пузыря. Получается сэндвич — мыло, вода, снова мыло. А вода, как известно, при отрицательных температурах замерзает. Такой сильный минус нужен только для того, чтобы это произошло очень быстро — быстрее, чем шарик долетит до земли.

Добивка опыта. Если пузырь почти успел замерзнуть, но все же сдулся — попробуйте надуть мыльный пузырь не теплым воздухом изо рта, а протащить кольцо по воздуху. Тогда шарик надуется с холодным воздухом внутри и замерзнет еще быстрее.

Бонус: добивка всего

Вернемся к опыту №3 — «Конкурс странных шапочек» — и проверим, как там себя чувствует монетка с уже остывшим какао.

Скорее всего, какао все еще держится. Отсюда делаем вывод, что поверхностное натяжение холодной воды не меньше, чем горячей. Хорошо, тогда добавим еще одну капельку — в прошлый раз именно с ней все и разлилось, а сейчас ничего, держит. И это снова не магия, а физика: чем выше температура жидкости, тем меньше плотность ее поверхностного натяжения.

Другими словами, на монетке поместится больше капелек холодной жидкости, чем горячей, — поэтому мы и смогли капнуть еще.