Домашний эксперимент, страница 12, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

Вращающаяся спираль

Из тонкой медной проволоки сделайте плоскую спираль в несколько витков, слегка смажьте ее маслом или вазелином и очень осторожно опустите на поверхность воды. Спираль не тонет, а вода ее не смачивает. Теперь пипеткой аккуратно капните в самую середину спирали одну каплю мыльного раствора. Спираль сейчас же начнет вертеться. Когда спираль остановится, капните мыльный раствор еще раз — вращение возобновится.

Описанный в тексте опыт является демонстрацией физического явления, связанного с поверхностным натяжением жидкости. Вот подробное объяснение происходящего.

Решение

Явление вращения спирали объясняется изменением силы поверхностного натяжения воды под действием мыльного раствора. Рассмотрим физику процесса по этапам:

1. Начальное состояние: плавающая спираль.

Медная проволока сама по себе плотнее воды и должна тонуть. Однако, когда ее, смазанную маслом или вазелином, осторожно опускают на поверхность, она остается на плаву. Это возможно благодаря двум факторам:

• Гидрофобное покрытие: Масло или вазелин отталкивают воду (являются гидрофобными), не позволяя ей смочить поверхность проволоки и "зацепиться" за нее.

• Сила поверхностного натяжения: Молекулы на поверхности воды сильно притягиваются друг к другу, создавая своего рода упругую "пленку". Эта сила поверхностного натяжения достаточно велика, чтобы удержать легкую спираль, вес которой распределяется по всей длине проволоки, контактирующей с водой.

В начальном состоянии поверхностное натяжение чистой воды одинаково по всей поверхности, как внутри витков спирали, так и снаружи. Все силы, действующие на спираль, скомпенсированы, поэтому она неподвижна.

2. Добавление мыльного раствора и возникновение вращения.

Мыло является поверхностно-активным веществом (ПАВ). Когда капля мыльного раствора попадает в центр спирали, происходят следующие процессы:

• Снижение поверхностного натяжения: Молекулы мыла быстро распространяются по поверхности воды и встраиваются между молекулами воды. Это нарушает сильные связи между молекулами воды и, как следствие, резко снижает коэффициент поверхностного натяжения в этой области. Пусть поверхностное натяжение чистой воды равно $ \sigma_{воды} $, а в области с мыльным раствором — $ \sigma_{мыла} $. Таким образом, в центре спирали возникает область с низким натяжением, причем $ \sigma_{мыла} < \sigma_{воды} $.

• Эффект Марангони: Возникает градиент (перепад) поверхностного натяжения. Жидкость всегда стремится минимизировать свою поверхностную энергию, поэтому поверхностный слой воды начинает двигаться из области с низким поверхностным натяжением (из центра спирали) в область с высоким натяжением (к периферии). Этот эффект движения жидкости из-за градиента поверхностного натяжения называется эффектом Марангони.

• Создание крутящего момента: Поток воды, движущийся от центра наружу, увлекает за собой плавающую спираль. Поскольку проволока имеет спиральную форму, сила, с которой поток действует на ее витки, направлена не строго радиально, а имеет и касательную составляющую. Сумма этих касательных сил создает ненулевой вращающий момент (крутящий момент), который и заставляет спираль вращаться.

3. Прекращение и возобновление вращения.

Вращение продолжается до тех пор, пока мыло не распределится по всей поверхности воды и поверхностное натяжение не выровняется. Как только градиент натяжения исчезает, исчезает и движущая сила. Спираль останавливается под действием силы вязкого трения о воду. Если в этот момент капнуть еще одну каплю мыла в центр, то снова создастся резкий перепад поверхностного натяжения, и процесс вращения возобновится.

Ответ: Вращение спирали вызывается разностью сил поверхностного натяжения, возникающей при добавлении мыла. Мыло — это поверхностно-активное вещество, которое снижает поверхностное натяжение воды. В результате вода с более высоким натяжением снаружи спирали "тянет" поверхностный слой от центра, создавая поток. Этот поток, действуя на изогнутые витки спирали, создает вращающий момент, приводящий ее в движение. Явление прекращается, когда поверхностное натяжение выравнивается, и возобновляется при добавлении новой капли мыла.