История развития физики, страница 270 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Молекулярная физика. Глава 10. Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы. Параграф 48. Поверхностное натяжение жидкости. Вопросы - страница 270.

Условие.

Из истории развития физики

Ниже представлен фрагмент из книги Ю.А. Гагарина «Дорога в космос» (1981). «Невесомость — это явление для всех нас, жителей Земли, несколько странное... Что произошло со мной в это время? Я оторвался от кресла, повис между потолком и полом кабины... А капли жидкости, пролившиеся из шланга, приняли форму шариков, они свободно перемещались в пространстве...»

а) Почему капли жидкости приняли форму шариков?

б) Чем могут быть вызваны свободные перемещения шариков жидкости в пространстве?

Решение.

а) Почему капли жидкости приняли форму шариков?

В условиях невесомости, когда действие силы тяжести скомпенсировано, доминирующей силой, определяющей форму жидкости, становится сила поверхностного натяжения. Эта сила возникает из-за взаимного притяжения молекул жидкости. Молекулы на поверхности жидкости втягиваются внутрь, что заставляет поверхность жидкости сокращаться. Любая система стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией. Для жидкости потенциальная энергия поверхностного слоя пропорциональна площади ее поверхности: $E_p = \sigma S$, где $\sigma$ – коэффициент поверхностного натяжения, а $\text{S}$ – площадь поверхности. При заданном объеме наименьшую площадь поверхности имеет шар. Поэтому, стремясь минимизировать свою поверхностную энергию, капли жидкости в невесомости принимают сферическую форму.

Ответ: Капли жидкости приняли форму шариков под действием сил поверхностного натяжения, которые в условиях невесомости стремятся придать жидкости форму с минимальной площадью поверхности, а именно – сферическую.

б) Чем могут быть вызваны свободные перемещения шариков жидкости в пространстве?

Свободное перемещение шариков жидкости в пространстве кабины космического корабля объясняется законом инерции (первым законом Ньютона). Когда жидкость пролилась из шланга, она получила некоторую начальную скорость. В условиях невесомости на капли не действует сила тяжести, которая заставила бы их упасть, а сила сопротивления воздуха в кабине крайне мала. Поэтому, в соответствии с первым законом Ньютона, шарики жидкости будут продолжать двигаться прямолинейно и равномерно, сохраняя ту скорость, которую они получили в начальный момент. Кроме того, их движение могло быть вызвано или изменено даже очень слабыми внешними воздействиями, такими как потоки воздуха от системы вентиляции, незначительные вибрации корпуса корабля или случайные толчки. Из-за почти полного отсутствия сил трения такое движение может продолжаться очень долго.

Ответ: Свободные перемещения шариков жидкости вызваны их инерцией – они сохраняют начальную скорость, полученную в момент, когда они вылились из шланга. Движение продолжается из-за отсутствия значительных сил сопротивления, таких как сила тяжести и трение.