Kvant. О силах натяжения
Кикоин А.К. О силах поверхностного натяжения // Квант. — 1983. — № 12. — С. 27-28.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Особые свойства поверхности жидкости связаны с тем, что молекулы на поверхности имеют много соседей с одной стороны, в глубине жидкости, и мало с другой — над ее поверхностью. Благодаря этому на молекулы, находящиеся на поверхности, действуют силы, направленные в глубь жидкости, перпендикулярно к ее поверхности. Эти силы складываются и оказывают давление на жидкость, которое уравновешивается давлением, вызванным силами упругости самой жидкости.
Между тем многочисленные опыты, например описанные в учебнике «Физика 9», говорят о том, что на поверхности жидкости действуют силы, направленные не перпендикулярно, а по касательной к поверхности (делай ее похожей на упругую пленку). Это отражено и в названии — силы поверхностного натяжения. Выходит, что реальные силы, действующие на молекулы поверхности, направлены перпендикулярно к ней, а сил собственно поверхностного натяжения в действительности нет? Оказывается, силы, направленные по касательной к поверхности, действительно существуют, но возникают они только тогда, когда поверхность жидкости разрывается какими-нибудь посторонними телами, твердыми или жидкими. Если же никакие другие тела с жидкостью не соприкасаются (кроме ее собственного пара), сил поверхностного натяжения нет. Это нетрудно понять. В самом деле, любая молекула внутри объема жидкости окружена со всех сторон другими молекулами, действующими на нее с силами, равномерно распределенными по всем направлениям, поэтому эти силы уравновешиваются. Это относится ко всем молекулам жидкости, кроме лежащих на ее поверхности. На них, как было указано, действуют силы, направленные внутрь жидкости, нормально к ее поверхности. Жидкость как бы стремится втянуть в себя молекулы поверхности, или, что то же самое, по возможности уменьшить свою поверхность.
Как известно из математики, наименьшей поверхностью при данном объеме обладает шар. Вот почему жидкость, предоставленная самой себе и не подверженная действию никаких внешних сил, кроме силы тяжести, принимает форму шара. Сила тяжести не влияет на форму жидкости потому, что она сообщает всем ее частицам одинаковое, ускорение и не меняет взаимного расположения частиц.
Итак, жидкость, находящаяся только под действием силы тяжести движется с ускорением g (пребывает в состоянии невесомости) и сохраняет форму шара. Но на любую молекулу А сферической поверхности жидкости действуют еще силы притяжения со стороны ее ближайших соседей В и С. лежащих на той же поверхности (см. рисунок). Равнодействующая этих сил, очевидно, тоже направлена перпендикулярно к поверхности, и никаких сил, касательных к поверхности, нет.
То же относится и к случаю, когда поверхность жидкости плоская (такова большая часть поверхности жидкости, находящейся в широком сосуде). Действительно, любая молекула на плоской поверхности также со всех сторон окружена другими молекулами, расположенными на тон же поверхности. Они действуют на неё с силами, равномерно распределенными по всем направлениям на плоскости и потому взаимно уравновешивающимися. Следовательно, и на плоской поверхности нет сил поверхностного натяжения.
Но когда поверхность жидкости разрывается, например, твердым телом, то на молекулы, находящиеся вблизи поверхности этого тела, действуют дополнительные силы со стороны его молекул. Эти силы могут и не уравновешиваться силами притяжения к молекулам самой жидкости. Вот тогда и появляются силы поверхностного натяжения. Они могут оказывать различные действия, в частности — изменять форму поверхности жидкости. Этим объясняется, например, образование мениска вблизи стенок сосуда с жидкостью.
Особенно резко выражены силы поверхностного натяжения в тонких пленках, опыты с которыми подробно описаны в «Физике 9». Такие пленки не могут существовать без ограничивающего их поверхность твердого тела. Но когда тонкая пленка создается в виде мыльного пузыря, то она принимает форму шара и никаких сил поверхностного натяжения не возникает.
Таким образом, силы поверхностного натяжения появляются только в случае, когда силы взаимодействия между молекулами жидкости перестают уравновешиваться.
