Номер 4.17, страница 13 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 4. Взаимодействие молекул. Смачивание и капиллярность. Глава 1. Начальные сведения о физических понятиях - номер 4.17, страница 13.

4.17 [н] Один из способов прикорневого полива растений представлен на рисунке I-19. Дно цветочного горшка не касается поверхности воды в нижнем сосуде. Почему вода поднимается в донное отверстие горшка по верёвке?

Рис. I-19

Решение

Вода поднимается по верёвке из нижнего сосуда в цветочный горшок благодаря физическому явлению, которое называется капиллярностью или капиллярным эффектом.

Суть этого явления заключается в следующем:

1. Верёвка, используемая в качестве фитиля, состоит из множества тонких волокон. Пространства между этими волокнами образуют сеть очень узких каналов, которые ведут себя как капилляры.

2. Подъём жидкости в капиллярах обусловлен взаимодействием двух сил:

• Силы сцепления (когезии) – это силы взаимного притяжения между молекулами самой жидкости, в данном случае, воды.
• Силы прилипания (адгезии) – это силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами твёрдого тела, то есть между молекулами воды и волокнами верёвки.

3. В случае с водой и материалом верёвки (который хорошо смачивается водой) силы прилипания оказываются значительно сильнее сил сцепления. Благодаря этому молекулы воды "прилипают" к стенкам капилляров (волокнам) и подтягивают за собой остальные молекулы воды. Поверхностное натяжение жидкости помогает этому процессу, заставляя воду подниматься вверх по узким каналам против силы тяжести.

Высота, на которую жидкость поднимается в капилляре, определяется по формуле Жюрена: $h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r}$ где $h$ – высота подъёма жидкости, $\sigma$ – коэффициент поверхностного натяжения, $\theta$ – краевой угол смачивания, $\rho$ – плотность жидкости, $g$ – ускорение свободного падения, а $r$ – радиус капилляра.

Из этой формулы следует, что чем тоньше капилляры (чем меньше радиус $r$), тем на большую высоту поднимается вода. Поскольку в верёвке есть множество очень тонких межволоконных пространств, вода эффективно поднимается на высоту, достаточную для того, чтобы достичь донного отверстия горшка и увлажнить почву.

Ответ: Вода поднимается по верёвке в донное отверстие горшка из-за капиллярного эффекта. Пространства между волокнами верёвки действуют как тончайшие трубки (капилляры). Силы притяжения молекул воды к волокнам верёвки (адгезия) сильнее, чем силы притяжения между самими молекулами воды (когезия), что заставляет воду подниматься по этим капиллярам вверх, преодолевая силу тяжести.