Страница 13 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

4.14 [Д. 7] Современные торговые этикетки со штрих-кодами прочно удерживаются на стеклянных и других поверхностях благодаря своей клеевой основе. Почему же при удалении таких этикеток на многих поверхностях не остаётся следов клея?

Решение:

Способность современных этикеток прочно держаться на поверхности и одновременно удаляться без следов объясняется балансом двух физических явлений, основанных на межмолекулярном взаимодействии: адгезии и когезии.

1. Адгезия (от лат. adhaesio — прилипание) — это сила сцепления между молекулами разнородных поверхностей. В нашем случае это сила, которая заставляет клей на этикетке прилипать к стеклянной или другой поверхности. Сила адгезии должна быть достаточной, чтобы этикетка надежно держалась на товаре.

2. Когезия (от лат. cohaesus — связанный, сцепленный) — это сила сцепления между молекулами одного и того же вещества. В данном случае это сила, которая удерживает молекулы клея вместе, обеспечивая целостность самого клеевого слоя.

Секрет чистого удаления этикетки заключается в том, что производители подбирают специальный состав клея. Для таких клеев сила когезии (внутреннее сцепление клея) оказывается значительно сильнее, чем сила адгезии (прилипание клея к поверхности).

Когда мы начинаем отрывать этикетку, мы прикладываем внешнюю силу. Эта сила должна преодолеть адгезионное взаимодействие между клеем и поверхностью. Поскольку когезионные силы, связывающие частицы клея друг с другом, превосходят адгезионные, клеевой слой не разрывается. Ему «энергетически выгоднее» целиком оторваться от поверхности, чем разорваться на части. В результате весь клей остается на этикетке, а поверхность остается чистой.

Таким образом, для чистого удаления должно выполняться условие:
Сила когезии (клей ↔ клей) > Сила адгезии (клей ↔ поверхность)

Ответ: При удалении таких этикеток на поверхности не остается следов клея, потому что сила сцепления между частицами самого клея (когезия) больше, чем сила прилипания клея к поверхности (адгезия). Это позволяет клеевому слою отделиться от поверхности целиком, не разрываясь.

4.15 [н] Почему чай вытекает из стакана, изображённого на рисунке I-18?

Рис. I-18

4.15 [Н]

Чай вытекает из стакана из-за явления, известного как капиллярный эффект или капиллярность. Нить от чайного пакетика, перекинутая через край стакана, действует как фитиль.

Материал, из которого сделана нить (обычно это бумага или ткань), состоит из множества тонких волокон. Пространство между этими волокнами образует систему мельчайших каналов — капилляров.

Молекулы воды (основной компонент чая) испытывают силы притяжения как друг к другу (силы когезии), так и к молекулам материала нити (силы адгезии). В данном случае силы адгезии (прилипания) между молекулами чая и волокнами нити оказываются сильнее сил когезии (сцепления) между самими молекулами чая. Благодаря этому чай «поднимается» по волокнам нити вверх, смачивая её, и преодолевает силы поверхностного натяжения.

Этот процесс позволяет чаю подняться по нити до края стакана и перетечь через него. Как только жидкость оказывается на внешней стороне нити, на неё начинает действовать сила тяжести, которая увлекает её вниз. В результате чай капля за каплей стекает с конца нити, образуя лужицу на столе.

Таким образом, нить работает как сифон, непрерывно вытягивая чай из стакана, пока её внутренний конец погружен в жидкость, а внешний находится ниже уровня чая в стакане.

Ответ: Чай вытекает из стакана по нитке от чайного пакетика из-за капиллярного эффекта. Нить действует как фитиль, впитывая чай и перенося его через край стакана под действием сил адгезии, которые превосходят силы когезии. После преодоления края стакана чай стекает вниз по внешней части нити под действием силы тяжести.

4.16 [н] Объясните, почему между фундаментом и стенами зданий необходимо делать гидроизоляцию.

4.16 [H]

Гидроизоляцию между фундаментом и стенами зданий необходимо делать для защиты стеновых материалов от капиллярного подсоса влаги из грунта.

Фундамент здания находится в непосредственном контакте с грунтом, который практически всегда содержит влагу (грунтовые воды, дождевая вода, талый снег). Строительные материалы, из которых сделаны и фундамент (бетон), и стены (кирпич, бетонные блоки), являются пористыми. Это означает, что в их структуре есть множество мельчайших взаимосвязанных каналов — капилляров.

Благодаря явлению капиллярности (капиллярного эффекта), влага из грунта способна подниматься вверх по этим порам в материале фундамента, подобно тому, как вода впитывается в губку или бумажное полотенце. Если между фундаментом и стеной нет водонепроницаемого барьера, эта влага будет беспрепятственно переходить из фундамента в материал стен, поднимаясь всё выше.

Проникновение влаги в стены приводит к ряду серьёзных негативных последствий:

• Появление сырости в помещениях, что способствует развитию вредных для здоровья плесени и грибка, а также портит внутреннюю отделку (обои, штукатурку, краску).
• Снижение теплоизоляционных свойств стен. Влажные материалы проводят тепло значительно лучше, чем сухие. Это ведёт к большим теплопотерям и, как следствие, к увеличению расходов на отопление.
• Разрушение материалов стен. В холодное время года вода, скопившаяся в порах материала, замерзает. При замерзании вода расширяется в объёме примерно на 9%. Лёд создаёт огромное внутреннее давление, которое вызывает микротрещины и постепенно разрушает структуру материала. Повторяющиеся циклы замерзания и оттаивания приводят к крошению кирпича и раствора, что значительно снижает прочность и долговечность всей конструкции.

Слой гидроизоляции (например, из рулонных битумных материалов, полимерных мембран или специальных мастик) создаёт сплошной водонепроницаемый барьер. Этот барьер физически прерывает капиллярные каналы и не позволяет влаге из фундамента подниматься в стены, тем самым защищая здание от разрушения, сохраняя его тепло и обеспечивая здоровый микроклимат в помещениях.

Ответ: Гидроизоляция между фундаментом и стенами необходима для того, чтобы заблокировать подъем грунтовой влаги в стены по капиллярам пористых строительных материалов. Это защищает стены от намокания, появления сыроosti и плесени, разрушения из-за циклов замерзания-оттаивания и сохраняет их теплоизоляционные свойства.

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.

4.18 [82] Что есть общего между склеиванием бумаги и паянием металлических изделий?

Решение

Несмотря на внешние различия, процессы склеивания бумаги и паяния металлических изделий имеют общую физическую основу. В обоих случаях для соединения двух твердых тел используется третье, промежуточное вещество, которое изначально находится в жидком агрегатном состоянии.

1. Использование жидкого связующего вещества. При склеивании используется жидкий клей, а при паянии — расплавленный металл (припой).

2. Явление смачивания. Для того чтобы соединение было прочным, жидкое связующее вещество должно хорошо смачивать соединяемые поверхности. Это означает, что силы притяжения между молекулами жидкости (клея или припоя) и молекулами твердого тела (бумаги или металла) должны быть больше, чем силы притяжения между молекулами самой жидкости. Хорошее смачивание обеспечивает плотный контакт по всей площади соединения.

3. Явление адгезии. После нанесения жидкого вещества оно затвердевает (клей высыхает, а припой остывает). Прочность соединения обеспечивается за счет адгезии — сил межмолекулярного притяжения (прилипания) между молекулами связующего вещества и молекулами соединяемых деталей.

Таким образом, оба процесса основаны на способности жидкого вещества смачивать твердые поверхности и последующем сцеплении за счет сил адгезии после его затвердевания.

Ответ: Общим между склеиванием бумаги и паянием металлических изделий является физический механизм соединения. Оба процесса основаны на явлениях смачивания и адгезии. В обоих случаях используется промежуточное вещество в жидком состоянии (клей или расплавленный припой), которое смачивает соединяемые поверхности, а затем, затвердевая, скрепляет их благодаря силам межмолекулярного притяжения (адгезии) между ним и материалами изделий.

4.19 [83] Чем отличается сварка металлических деталей от паяния металлических изделий?

Сварка и пайка — это два разных технологических процесса соединения материалов, которые имеют принципиальные отличия, касающиеся в первую очередь температуры процесса и состояния соединяемых деталей.

При сварке происходит локальный нагрев кромок соединяемых деталей до их температуры плавления. Расплавленные кромки сливаются вместе, образуя после остывания сварной шов. Часто для заполнения зазора и формирования шва используется дополнительный (присадочный) материал, который по составу близок к основному металлу. Ключевой момент сварки — плавление основного металла. В результате образуется неразъемное соединение, по своей структуре и прочности близкое к основному металлу.

При пайке соединяемые детали нагреваются до температуры, которая всегда ниже их температуры плавления. Соединение осуществляется с помощью легкоплавкого припоя — специального сплава, температура плавления которого ниже, чем у соединяемых металлов. Расплавленный припой смачивает поверхности деталей, затекает в зазор между ними за счет капиллярных сил и после кристаллизации образует прочное соединение. Основной металл в процессе пайки не плавится.

Таким образом, можно выделить следующие основные отличия:

• Состояние основного металла: При сварке основной металл плавится, при пайке — нет.
• Температура процесса: Температура при сварке достигает точки плавления основного металла и значительно выше, чем температура при пайке.
• Прочность соединения: Сварное соединение, как правило, намного прочнее паяного и сопоставимо по прочности с самим металлом.
• Соединительный материал: При сварке используется присадочный материал, схожий по составу с основным, либо сварка происходит без него. При пайке всегда используется припой, который по составу отличается от соединяемых металлов и имеет более низкую температуру плавления.
• Термическое воздействие: Сварка вызывает значительные структурные изменения в металле в зоне около шва из-за высоких температур. Пайка, как более низкотемпературный процесс, оказывает минимальное термическое воздействие на соединяемые детали.

Ответ: Основное отличие сварки от пайки заключается в том, что при сварке происходит плавление кромок соединяемых деталей, которые сливаются в одно целое, в то время как при пайке детали лишь нагреваются, а их соединение происходит за счет расплавления припоя — другого, более легкоплавкого металла, который заполняет зазор между ними.

4.20 [72] Почему после дождя пыль на дороге не поднимается?

Решение

Это явление объясняется силами межмолекулярного взаимодействия и увеличением массы частиц пыли после того, как они намокают.

В сухую погоду частицы пыли на дороге представляют собой мелкие, лёгкие и не связанные друг с другом твёрдые тела. Сила их сцепления с поверхностью дороги и друг с другом очень мала. Поэтому даже слабого потока воздуха, создаваемого ветром или проезжающим автомобилем, достаточно, чтобы преодолеть силу тяжести и поднять их в воздух.

Когда проходит дождь, капли воды смачивают пылинки. Между молекулами воды и частицами пыли возникают силы молекулярного притяжения — силы адгезии (прилипания). Кроме того, действуют силы когезии — притяжение между самими молекулами воды. В результате вода образует тонкие плёнки и капиллярные мостики, которые действуют как клей, связывая частицы пыли между собой и с поверхностью дороги.

Таким образом, после дождя пыль не поднимается по двум основным причинам:
1. Масса каждой отдельной частицы пыли увеличивается за счет массы прилипшей к ней воды. Более тяжёлые частицы поднять сложнее.
2. Силы межмолекулярного притяжения "склеивают" пылинки в более крупные и тяжёлые агрегаты, которые прочно удерживаются на поверхности дороги. Чтобы оторвать такой влажный комок пыли от земли, требуется приложить значительно большую силу, чем для одной сухой пылинки. Силы ветра для этого обычно недостаточно.

Ответ: После дождя частицы пыли намокают. Вода за счёт сил межмолекулярного притяжения (смачивания) склеивает мелкие частицы пыли друг с другом и с поверхностью дороги. В результате масса частиц увеличивается, и они оказываются прочно "приклеенными" к земле, поэтому ветер или проезжающие машины не могут их поднять.

4.21 [73] Почему для разделения листов бумаги, смоченных водой, требуется значительно большее усилие, чем при перелистывании сухих страниц книги?

4.21 Это явление объясняется действием сил межмолекулярного взаимодействия и поверхностного натяжения воды.

Когда листы бумаги сухие, между ними находится воздух. Силы притяжения между молекулами бумаги на соседних листах очень слабы, так как они находятся на относительно большом расстоянии друг от друга из-за шероховатости поверхности. Поэтому для их разделения требуется лишь небольшое усилие, чтобы преодолеть их вес и незначительное трение.

Когда между листами бумаги попадает вода, ситуация кардинально меняется. Вода смачивает бумагу, проникая в её пористую структуру и заполняя все неровности. Между листами образуется тонкая водяная пленка. Здесь начинают действовать два типа мощных сил:

1. Силы сцепления (когезии) — это силы притяжения между молекулами самой воды. Молекулы воды сильно притягиваются друг к другу, что и создает явление поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение стремится сократить площадь поверхности жидкости, что в данном случае приводит к стягиванию листов бумаги.
2. Силы прилипания (адгезии) — это силы притяжения между молекулами воды и молекулами целлюлозы, из которой состоит бумага. Эти силы заставляют воду "прилипать" к поверхности листов.

Совместное действие этих сил (когезии и адгезии) приводит к тому, что листы бумаги оказываются как бы "склеенными" тонким слоем воды. Чтобы их разделить, необходимо преодолеть эти значительные межмолекулярные силы, что требует гораздо большего усилия, чем при перелистывании сухих страниц.

Ответ: Для разделения смоченных водой листов бумаги требуется значительно большее усилие, так как между ними возникают сильные межмолекулярные силы притяжения: между молекулами воды (когезия) и между молекулами воды и бумаги (адгезия). Эти силы, проявляющиеся как поверхностное натяжение, "склеивают" листы вместе, в то время как между сухими листами действуют лишь очень слабые силы.

4.22 [н] Почему оружие рекомендуется покрывать специальной смазкой?

4.22 [н]

Оружие рекомендуется покрывать специальной смазкой по нескольким ключевым причинам, которые в совокупности обеспечивают его надежность, долговечность и безопасность в эксплуатации:

1. Защита от коррозии. Основная функция смазки — защита металлических деталей от ржавления. Оружие часто эксплуатируется в условиях повышенной влажности, а продукты сгорания пороха содержат агрессивные химические вещества. Смазка создает на поверхности металла тонкую масляную пленку, которая вытесняет влагу и изолирует металл от контакта с кислородом воздуха и агрессивной средой, предотвращая тем самым коррозию.
2. Уменьшение трения и износа. В любом оружии есть множество движущихся частей (затворная группа, ударно-спусковой механизм и др.), которые испытывают значительные нагрузки при работе. Смазка существенно снижает коэффициент трения между этими деталями. Это обеспечивает плавную и безотказную работу всех механизмов, предотвращает задержки при стрельбе и заклинивания. Как следствие, уменьшается износ деталей, что продлевает срок службы оружия.
3. Облегчение чистки. Смазочный слой мешает нагару, частицам несгоревшего пороха и металлической стружке (от пуль и гильз) прочно оседать на поверхностях деталей. Загрязнения остаются в слое смазки, а не прикипают к металлу, что значительно упрощает и ускоряет процесс чистки оружия после стрельбы.
4. Термостойкость. Специальные оружейные смазки разработаны для работы в широком диапазоне температур. Они не замерзают и не густеют на сильном морозе, что могло бы замедлить работу автоматики и привести к осечке. В то же время они не выгорают и не становятся чрезмерно жидкими при высоких температурах, возникающих во время интенсивной стрельбы.

Таким образом, смазка является неотъемлемой частью ухода за оружием, напрямую влияющей на его боевые и эксплуатационные характеристики.

Ответ: Оружие покрывают специальной смазкой для защиты металлических частей от коррозии, для уменьшения трения и износа движущихся механизмов с целью обеспечения их надежной работы, а также для облегчения процесса чистки от нагара и других загрязнений.

4.23 [н] Почему для смазки скрипящей дверной петли достаточно всего нескольких капель машинного масла?

4.23 [н]

Решение

Скрип дверной петли возникает из-за силы трения скольжения между её металлическими частями. Это так называемое «сухое» трение, которое часто бывает прерывистым и скачкообразным, что порождает звуковые колебания, которые мы воспринимаем как скрип.

Чтобы устранить скрип, необходимо значительно уменьшить силу трения. Это достигается путем введения смазки, например, машинного масла, между трущимися поверхностями. Смазка заменяет сухое трение между твердыми телами на гораздо меньшее по величине жидкостное (вязкое) трение.

Эффективность всего нескольких капель масла для смазки всей петли объясняется двумя ключевыми физическими явлениями:

1. Смачивание. Машинное масло хорошо смачивает металлические поверхности. Это означает, что силы притяжения между молекулами масла и молекулами металла (силы адгезии) оказываются сильнее, чем силы притяжения между молекулами самого масла (силы когезии). В результате масло не остается в виде компактной капли, а самопроизвольно растекается по поверхности металла, стремясь покрыть как можно большую площадь тонкой пленкой.

2. Капиллярный эффект. Зазоры между стержнем и втулкой дверной петли очень малы, они образуют систему узких каналов, подобных капиллярам. Благодаря явлению смачивания и действию сил поверхностного натяжения, масло втягивается в эти узкие зазоры. Капиллярные силы способны доставить жидкость по всей площади соприкосновения деталей, даже перемещая ее вверх против силы тяжести.

Таким образом, благодаря сочетанию хорошей смачиваемости и капиллярного эффекта, даже небольшое количество масла быстро и равномерно распределяется по всей внутренней трущейся поверхности петли, создавая сплошную смазочную плёнку, которая разделяет металлические детали и устраняет скрип.

Ответ: Нескольких капель машинного масла достаточно, потому что благодаря хорошей смачивающей способности и капиллярному эффекту масло самостоятельно растекается тонкой плёнкой по металлическим поверхностям и втягивается в узкие зазоры петли, покрывая всю площадь трущихся деталей. Это заменяет высокое сухое трение на низкое жидкостное трение, что и устраняет скрип.

4.24° [н] Наполните водой широкую неглубокую ёмкость и поместите на поверхность воды каплю какого-либо масла, например растительного. Почему границы масляного пятна чёткие?

Решение

Чёткость границ масляного пятна на поверхности воды объясняется фундаментальными различиями в свойствах этих двух жидкостей, в частности, силами межмолекулярного взаимодействия и поверхностным натяжением.

Молекулы воды являются полярными, и между ними действуют сильные водородные связи. Эти силы сцепления (когезии) обуславливают высокое поверхностное натяжение воды ($ \sigma_{вода} $). Поверхностное натяжение можно представить как стремление поверхности жидкости сократиться до минимально возможной площади.

Молекулы масла, напротив, являются неполярными. Силы сцепления между ними (силы Ван-дер-Ваальса) значительно слабее, чем водородные связи в воде. Соответственно, поверхностное натяжение масла ($ \sigma_{масло} $) намного ниже, чем у воды. Кроме того, силы притяжения между молекулами воды и масла (силы адгезии) также слабы, поскольку полярные и неполярные молекулы плохо взаимодействуют друг с другом (масло и вода не смешиваются).

Когда масло оказывается на воде, на границе контакта трёх сред (вода, масло, воздух) возникает сложное взаимодействие сил. Вода, обладая значительно большим поверхностным натяжением ($ \sigma_{вода} > \sigma_{масло} $), стремится сократить свою свободную поверхность. На границе с масляным пятном молекулы воды испытывают сильное притяжение со стороны других молекул воды и лишь слабое — со стороны молекул масла. В результате возникает результирующая сила, направленная вдоль поверхности воды от пятна. Эта сила как бы "отгораживает" область, занятую маслом, создавая резкий, чётко видимый край. Масло не может "размыть" эту границу, потому что силы со стороны воды не позволяют его молекулам хаотично распределяться по поверхности.

Таким образом, чёткая граница — это результат противоборства двух поверхностных натяжений, где более сильное натяжение воды формирует чёткий контур вокруг области с более слабым натяжением масла.

Ответ: Границы масляного пятна на воде являются чёткими из-за существенной разницы в поверхностном натяжении воды и масла. Высокое поверхностное натяжение воды, обусловленное сильными силами сцепления между её молекулами, создаёт своего рода "упругую плёнку", которая сдерживает растекающееся масло и формирует резкую границу между двумя жидкостями.