Силы поверхностного натяжения

На границе жидкость-воздух (газ)

Сравним состояние молекулы жидкости, находящейся вблизи границы жидкости и воздуха, с состоянием молекулы, находящейся вдали от этой границы, внутри жидкости (рис. 1). Молекула внутри жидкости окружена другими молекулами со всех сторон (А). Молекулу же, находящуюся на границе с воздухом, молекулы жидкости окружают только с одной стороны (В), со стороны же воздуха молекул почти нет. Притяжение, испытываемое молекулой со стороны соседних, в случае «внутренних» молекул взаимно уравновешивается; для молекул, расположенных у поверхности, сложение всех сил дает равнодействующую, направленную внутрь жидкости.

Рис. 1.

Таким образом, поверхностный слой жидкости представляет собой как бы эластичную растянутую пленку, охватывающую всю жидкость и стремящуюся собрать ее в одну «каплю». Такая модель (эластичная растянутая пленка) позволяет определять направление сил поверхностного натяжения. Например, если пленка под действием внешних сил растягивается, то сила поверхностного натяжения будет направлена вдоль поверхности жидкости против растяжения и равна \(F_n = \sigma \cdot l\), где σ — коэффициент поверхностного натяжения (поверхностное натяжение).

Рис. 2.

Но не надо забывать, что это только модель. Так при растягивании резиновой пленки по мере увеличения ее поверхности растягивающая сила становится все больше и больше, и, следовательно, работа, затрачиваемая на увеличение этой поверхности на единицу площади, тоже увеличивается. При увеличении поверхности жидкости ничего подобного не наблюдается.

На границе жидкость-твердое тело

В случае соприкосновения с твердым телом силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердого тела начинают играть существенную роль. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Если силы притяжения молекул жидкости к молекулам твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, то молекулы жидкости «прилипают» к поверхности твердого тела. В этом случае говорят о смачивании.

Если силы притяжения молекул жидкости к молекулам твердого тела меньше, чем между молекулами самой жидкости, то прилегающие слои жидкости «отталкиваются» от поверхности твердого тела. В этом случае говорят о несмачивании.

Явление смачивания и несмачивания приводят к искривлению поверхности жидкости у стенок сосуда, так называемые краевые эффекты. Количественной характеристикой краевых эффектов служит краевой угол θ между плоскостью касательной к поверхности жидкости и поверхностью твердого тела. При смачивании он будет острым (рис. 3, а), а при несмачивании – тупым (рис. 3, б). В школьном курсе физики рассматривают только полное смачивание (θ = 0º) или полное несмачивание (θ = 180º).

• 

  а
• 

  б

Рис. 3.

Силы, связанные с наличием поверхностного натяжения и направленные по касательной к поверхности жидкости, в случае выпуклой поверхности дают результирующую, направленную внутрь жидкости (рис. 4, а). В случае вогнутой поверхности результирующая сила направлена, наоборот, в сторону газа, граничащего с жидкостью (рис. 4, б).

Рис. 4.

Например, в тонкой трубке (капилляре) при смачивании равнодейст-вующая сил поверхностного натяжения жидкости будет направлена вверх (рис. 5).

Рис. 5.

Литература

1. Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. – Мн. Нар. асвета, 2002. — 382 с.
2. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3 т./ Под ред. Г.С. Ландсберга: Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика — 13-е изд. —М.: Физматлит, 2003. — 608 с.