Номер 1, страница 273 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 7. Поверхностное натяжение в жидкостях. Параграф 7.8. Примеры решения задач. Вопросы - номер 1, страница 273.

Условие.

1. Сделайте фотоальбом явлений, вызванных поверхностным натяжением.

Решение.

Поверхностное натяжение — это физическое явление, обусловленное силами межмолекулярного притяжения на границе раздела фаз. В случае жидкости на границе с газом (например, воздухом) силы поверхностного натяжения стремятся сократить площадь поверхности жидкости до минимума. Это приводит к тому, что поверхность жидкости ведёт себя подобно упругой, натянутой плёнке. Ниже представлены описания нескольких явлений, которые можно было бы поместить в такой фотоальбом.

Насекомые-водомерки на поверхности воды

На этой "фотографии" мы видим водомерку, которая легко скользит по поверхности пруда, не проваливаясь. Поверхность воды под её лапками заметно прогибается, как эластичная мембрана. Это возможно благодаря силе поверхностного натяжения. Вес насекомого распределяется по его длинным лапкам, покрытым водоотталкивающими волосками. Давление, оказываемое лапкой, оказывается недостаточным, чтобы разорвать "плёнку" на поверхности воды, образованную силами сцепления между молекулами воды. Сила поверхностного натяжения $F_{пов}$, направленная вверх по касательной к прогнутой поверхности, уравновешивает силу тяжести, действующую на насекомое.
Ответ: Силы поверхностного натяжения создают на поверхности воды упругую плёнку, способную выдерживать вес лёгких предметов, таких как насекомые-водомерки.

Сферическая форма капель

Здесь запечатлены капли утренней росы на листе, имеющие почти идеальную сферическую форму. Жидкость стремится минимизировать свою поверхностную энергию, а это достигается при минимальной площади поверхности. Среди всех геометрических тел с одинаковым объёмом наименьшую площадь поверхности имеет шар. Поэтому в условиях, когда сила тяжести пренебрежимо мала по сравнению с силами поверхностного натяжения (например, для маленьких капель или в невесомости), капли жидкости принимают сферическую форму. Для больших капель сила тяжести искажает эту форму, делая их приплюснутыми.
Ответ: Поверхностное натяжение заставляет капли жидкости принимать форму с наименьшей площадью поверхности при заданном объеме, то есть сферическую.

Плавающая иголка или скрепка

На этом снимке — обычная стальная иголка, аккуратно положенная на поверхность воды в стакане. Несмотря на то что плотность стали (около $7850$ кг/м³) намного больше плотности воды (около $1000$ кг/м³), иголка не тонет. Как и в случае с водомеркой, её удерживает на плаву сила поверхностного натяжения. Поверхность воды прогибается под весом иголки, и возникающая сила поверхностного натяжения $F_{пов} = \sigma \cdot L$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения, а $\text{L}$ — длина контура смачивания (примерно удвоенная длина иголки), направлена вверх и компенсирует силу тяжести. Если же нарушить целостность поверхностной плёнки (например, добавив каплю мыла), иголка мгновенно утонет.
Ответ: Поверхностное натяжение может удерживать на поверхности воды предметы, плотность которых значительно превышает плотность воды, если они не смачиваются и аккуратно уложены на поверхность.

Капиллярные явления

На изображении — несколько тонких стеклянных трубок (капилляров), опущенных в подкрашенную воду. Уровень воды внутри трубок заметно выше, чем в широком сосуде, причём чем тоньше трубка, тем выше поднимается жидкость. Это явление называется капиллярным всасыванием. Оно происходит, когда силы сцепления между молекулами жидкости и стенками сосуда (адгезия) больше, чем силы сцепления между молекулами самой жидкости (когезия). В этом случае жидкость смачивает стенки, и её поверхность в капилляре (мениск) приобретает вогнутую форму. Поверхностное натяжение, действуя по краю мениска, создаёт подъёмную силу, которая "втягивает" жидкость вверх по капилляру до тех пор, пока эта сила не уравновесится весом поднятого столба жидкости. Высота подъема жидкости $\text{h}$ в капилляре радиусом $\text{r}$ определяется формулой Жюрена: $h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r}$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения, $\theta$ — краевой угол смачивания, $\rho$ — плотность жидкости, $\text{g}$ — ускорение свободного падения.
Ответ: Взаимодействие сил поверхностного натяжения и сил смачивания приводит к подъему или опусканию жидкости в узких трубках (капиллярах).

Мыльные пузыри

Эта яркая фотография демонстрирует мыльный пузырь, переливающийся всеми цветами радуги. Мыльный пузырь представляет собой тонкую плёнку мыльного раствора, которая заключает в себе воздух. Эта плёнка имеет две поверхности — внутреннюю и наружную. Силы поверхностного натяжения действуют на обеих поверхностях, стремясь сократить их площадь до минимума. Именно поэтому мыльные пузыри, как и капли воды, принимают сферическую форму. Давление воздуха внутри пузыря немного выше, чем снаружи. Это избыточное давление, называемое давлением Лапласа, уравновешивает силы поверхностного натяжения и не даёт пузырю схлопнуться. Для сферического пузыря оно равно $\Delta P = \frac{4\sigma}{R}$, где $\text{R}$ — радиус пузыря, а $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора.
Ответ: Силы поверхностного натяжения придают мыльным пузырям сферическую форму и создают внутри них избыточное давление, которое поддерживает их структуру.