Номер 1, страница 158 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Использование явления поверхностного натяжения в природе и технике.

Явление поверхностного натяжения заключается в стремлении жидкости сократить свою свободную поверхность до минимума при заданном объеме. Это происходит из-за того, что молекулы на поверхности жидкости испытывают результирующую силу, направленную внутрь объема, в отличие от молекул в глубине, где силы межмолекулярного притяжения скомпенсированы. В результате на поверхности жидкости образуется подобие упругой пленки. Это явление находит широкое применение как в живой природе, так и в созданных человеком технологиях.

Использование в природе

В природе поверхностное натяжение играет важную роль во многих процессах:

1. Движение насекомых по воде. Некоторые насекомые, например, водомерки, могут свободно передвигаться по поверхности воды, не тонув. Их вес распределяется по лапкам, покрытым водоотталкивающими волосками, и сила поверхностного натяжения воды оказывается достаточной, чтобы удержать их на плаву.

2. Форма капель. Силы поверхностного натяжения стремятся придать жидкости форму с минимальной площадью поверхности. Для заданного объема такой формой является шар. Поэтому маленькие капли дождя, росы или жидкости в невесомости имеют сферическую форму. Давление внутри сферической капли (давление Лапласа) выше, чем снаружи, и определяется формулой $ \Delta P = \frac{2\sigma}{R} $, где $ \sigma $ — коэффициент поверхностного натяжения, а $\text{R}$ — радиус капли.

3. Капиллярные явления. Подъем или опускание жидкости в узких трубках (капиллярах) тесно связан с поверхностным натяжением и силами смачивания. Это явление обеспечивает подъем воды с растворенными минеральными веществами по стеблям растений от корней к листьям.

4. Дыхание. Внутренняя поверхность альвеол в легких покрыта тонкой пленкой жидкости. Поверхностное натяжение этой жидкости создает силу, стремящуюся схлопнуть альвеолы. Чтобы противодействовать этому, организм вырабатывает специальное вещество — сурфактант, которое снижает поверхностное натяжение и облегчает процесс дыхания.

Ответ: В природе поверхностное натяжение позволяет насекомым ходить по воде, придает каплям сферическую форму, обеспечивает подъем питательных веществ в растениях и играет ключевую роль в механизме дыхания у млекопитающих.

Использование в технике

Человек научился использовать явление поверхностного натяжения во многих технологических процессах:

1. Моющие средства. Мыла и стиральные порошки являются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Они снижают коэффициент поверхностного натяжения воды. Это позволяет воде лучше смачивать поверхности, проникать в поры ткани и между волокнами, эффективно отделяя частицы грязи.

2. Флотация. Это метод обогащения полезных ископаемых. Измельченную руду смешивают с водой и специальными реагентами. Частицы нужного минерала становятся гидрофобными (не смачиваются водой) и прилипают к пузырькам воздуха, которые пропускают через смесь. Силы поверхностного натяжения удерживают частицы на границе "воздух-вода". Образовавшаяся пена, обогащенная минералом, собирается с поверхности.

3. Пайка и сварка. При пайке расплавленный припой должен хорошо смочить и растечься по соединяемым поверхностям. Для этого используют флюсы, которые очищают поверхность от оксидов и снижают поверхностное натяжение припоя, обеспечивая его затекание в зазоры за счет капиллярного эффекта и создание прочного соединения.

4. Водонепроницаемые ткани и пропитки. Некоторые материалы, например, брезент или современные мембранные ткани, обрабатывают составами, которые делают волокна несмачиваемыми. Капли воды, попадая на такую ткань, не могут проникнуть в поры между нитями из-за высокого поверхностного натяжения, а собираются в шарики и скатываются.

5. Струйная печать. В некоторых типах струйных принтеров формирование капель чернил и их точное позиционирование на бумаге управляется процессами, в которых поверхностное натяжение играет ключевую роль, обеспечивая стабильность капли в полете.

Ответ: В технике управление поверхностным натяжением используется для стирки и очистки, обогащения руд (флотация), создания прочных соединений при пайке, производства водонепроницаемых материалов и в технологиях точной печати.