Номер 3, страница 158 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Значение поверхностного натяжения в жизни растений.

Поверхностное натяжение — это физическое явление, возникающее из-за сил взаимного притяжения (когезии) между молекулами на поверхности жидкости, которое заставляет эту поверхность сокращаться до минимально возможной площади. Это свойство воды играет фундаментальную роль в различных жизненно важных процессах растений.

Основное значение поверхностного натяжения для растений заключается в обеспечении транспорта воды от корней к листьям, иногда на высоту в десятки метров. Этот процесс, известный как транспирационный ток, объясняется теорией когезии-натяжения. Он основан на трех ключевых факторах: свойствах воды и строении растения.

• Когезия: Молекулы воды сильно притягиваются друг к другу благодаря водородным связям. Эти силы когезии создают высокое поверхностное натяжение и обеспечивают целостность непрерывного столба воды в проводящих сосудах растения — ксилеме. Водный столб обладает высокой прочностью на разрыв, подобно тонкой проволоке.

• Адгезия: Молекулы воды также притягиваются к стенкам капиллярных сосудов ксилемы, которые состоят из целлюлозы и лигнина. Эти силы сцепления (адгезии) помогают воде "прилипать" к стенкам сосудов и противодействовать силе тяжести.

• Транспирация: Испарение воды с поверхности листьев через устьица создает отрицательное давление, или натяжение, в верхней части водяного столба. Благодаря силам когезии (проявлению поверхностного натяжения) это натяжение передается по всему столбу воды вниз до самых корней, заставляя воду подниматься вверх по ксилеме. Ксилема представляет собой систему очень тонких трубок (капилляров), что усиливает капиллярный эффект.

Высота подъема жидкости в капилляре описывается законом Жюрена:

$h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r}$

где $\text{h}$ — высота подъема жидкости, $\sigma$ (сигма) — коэффициент поверхностного натяжения, $\theta$ (тета) — краевой угол смачивания, $\rho$ (ро) — плотность жидкости, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, а $\text{r}$ — радиус капилляра. Из формулы видно, что высота подъема $\text{h}$ прямо пропорциональна поверхностному натяжению $\sigma$ и обратно пропорциональна радиусу капилляра $\text{r}$. Поскольку сосуды ксилемы очень узкие, вода может подниматься на значительную высоту.

Поверхностное натяжение также определяет, как вода взаимодействует с поверхностями растения и почвой.

• Формирование капель: После дождя или во время росы вода собирается на листьях в виде капель. Силы поверхностного натяжения стремятся минимизировать поверхность контакта воды с воздухом, придавая каплям сферическую форму. У многих растений листья покрыты восковым налетом (кутикулой), который является гидрофобным. Это заставляет капли скатываться, очищая лист от пыли и спор грибков (эффект лотоса).

• Гуттация: В условиях высокой влажности, когда транспирация затруднена, некоторые растения выделяют избыток воды в виде капель на краях листьев через гидатоды. Поверхностное натяжение удерживает эти капли на листе, не давая им растечься.

• Почвенная влага: Вода в почве удерживается в порах между частицами грунта благодаря капиллярным силам. Поверхностное натяжение "склеивает" молекулы воды и притягивает их к поверхности почвенных частиц, удерживая воду от стекания вниз под действием гравитации. Это создает запас влаги, доступной для поглощения корнями растений.

Поверхностное натяжение играет роль и в других процессах.

• Прорастание семян: Первым этапом прорастания является поглощение воды семенем (имбибиция). Этот процесс в значительной степени обусловлен капиллярными силами в микропорах семенной кожуры и запасных тканей. Вода проникает внутрь семени благодаря силам адгезии и когезии (поверхностного натяжения), что запускает метаболические процессы.

• Структура клетки: Внутри клеток вода является основной средой. Поверхностное натяжение на границах раздела фаз внутри клетки (например, между цитоплазмой и вакуолью) влияет на стабильность клеточных структур и мембран.

Ответ: Поверхностное натяжение воды является ключевым физическим фактором, который лежит в основе важнейших для жизни растений процессов. Оно обеспечивает целостность водяных столбов в капиллярах ксилемы для транспорта воды и питательных веществ на большие высоты (капиллярный подъем), способствует удержанию доступной для корней влаги в почве, а также играет важную роль в таких явлениях, как прорастание семян, гуттация и самоочищение листьев.