Номер 1, страница 250 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудить в классе. Параграф 75. Свойства жидкости. Поверхностное натяжение. Глава 12. Жидкости и твердые тела - номер 1, страница 250.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Форма капли жидкости определяется балансом сил, действующих на нее. В данном случае ключевую роль играют сила тяжести, сила поверхностного натяжения и сила сцепления с поверхностью крана.

Почему капля, вытекающая из отверстия крана, имеет продолговатую форму

Пока капля формируется и висит на кране, на нее действуют несколько сил. Сила сцепления (адгезия) удерживает воду у края отверстия крана. Сила тяжести ($F_т = mg$) действует на всю массу капли и тянет ее вертикально вниз. Сила поверхностного натяжения, возникающая из-за взаимного притяжения молекул воды, стремится минимизировать площадь поверхности капли, придавая ей сферическую форму. В результате противодействия этих сил капля деформируется: сила тяжести растягивает ее вниз, в то время как силы сцепления и поверхностного натяжения удерживают ее верхнюю часть. Это и приводит к образованию вытянутой, грушевидной формы с утончением («шейкой») у основания.

Почему оторвавшаяся капля имеет сферическую форму

В тот момент, когда сила тяжести становится больше, чем сила, удерживающая каплю у крана, капля отрывается. После отрыва сила сцепления с краном больше не действует. На каплю в свободном полете влияют в основном две силы: сила тяжести и сила поверхностного натяжения (сопротивлением воздуха можно пренебречь). Сила тяжести заставляет каплю падать, но она действует на все частицы капли равномерно и не вызывает ее деформации. Поэтому доминирующей силой, определяющей форму, становится сила поверхностного натяжения. Любая система стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией. Для жидкости это соответствует минимальной площади поверхности, так как поверхностная энергия пропорциональна площади ($E = \sigma A$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения). Геометрическое тело, обладающее наименьшей площадью поверхности при заданном объеме, — это сфера. Таким образом, в свободном падении капля принимает сферическую форму.

Ответ: Капля, висящая на кране, имеет продолговатую форму из-за того, что сила тяжести растягивает её вниз, в то время как силы сцепления с краном и поверхностного натяжения удерживают её верхнюю часть. После отрыва доминирующей силой, формирующей каплю, становится сила поверхностного натяжения, которая стремится минимизировать площадь поверхности, придавая капле сферическую форму — геометрическому телу с наименьшей площадью поверхности при заданном объёме.