Страница 13 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Что называют смачиванием?

1. Что называют смачиванием?

Смачивание — это поверхностное явление, возникающее при контакте жидкости с поверхностью твердого тела. Оно характеризует способность жидкости растекаться по твердой поверхности (смачивание) или, наоборот, собираться в капли (несмачивание). Это явление определяется соотношением между силами межмолекулярного взаимодействия на границе трех сред: твердого тела, жидкости и газа (обычно воздуха).

Ключевую роль играют два типа сил:
- Силы когезии – это силы взаимного притяжения между молекулами самой жидкости. Эти силы стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости, придавая ей форму, близкую к сферической (каплю).
- Силы адгезии – это силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами (или атомами) твердого тела, с которым она контактирует. Эти силы, наоборот, стремятся "притянуть" жидкость к поверхности, заставляя ее растекаться.

В зависимости от соотношения этих сил возможны два основных случая:

1. Смачивание. Если силы адгезии (жидкость-твердое тело) оказываются больше сил когезии (жидкость-жидкость), то жидкость растекается по поверхности. В этом случае говорят, что жидкость смачивает данную поверхность. Примером может служить капля воды на чистом стекле.

2. Несмачивание. Если силы когезии преобладают над силами адгезии, то жидкость стремится минимизировать площадь контакта с поверхностью и собирается в каплю. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность. Примеры: капля воды на поверхности, покрытой воском или жиром; капля ртути на стекле.

Количественной мерой смачивания является краевой угол (или угол смачивания) $ \theta $. Это угол, который образуется между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости в точке их контакта.
- Если $ \theta < 90^\circ $, то поверхность считается смачиваемой. При $ \theta \rightarrow 0^\circ $ говорят о полном смачивании.
- Если $ \theta > 90^\circ $, то поверхность считается несмачиваемой. При $ \theta \rightarrow 180^\circ $ говорят о полном несмачивании.
- Случай $ \theta = 90^\circ $ является пограничным.

Явление смачивания играет важную роль во многих природных и технологических процессах, таких как капиллярные явления, флотация руд, пайка металлов, склеивание, стирка, нанесение покрытий, пропитка тканей.

Ответ: Смачиванием называют явление, при котором жидкость растекается по поверхности твердого тела из-за того, что силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела (адгезия) превосходят силы притяжения между молекулами самой жидкости (когезия).

2. Приведите примеры смачивания и несмачивания водой различных поверхностей. Объясните явления на основе МКТ.

1. Что называют смачиванием?

Смачивание — это поверхностное явление, которое возникает на границе соприкосновения жидкости с твёрдой поверхностью. Оно заключается в способности жидкости растекаться по этой поверхности или, наоборот, собираться в каплю.

Степень смачивания определяется соотношением между силами притяжения молекул жидкости друг к другу (силами когезии) и силами притяжения молекул жидкости к молекулам твёрдого тела (силами адгезии). Для количественной оценки смачивания используют краевой угол $\theta$ — угол, который образуется между поверхностью твёрдого тела и касательной к поверхности жидкости в точке их контакта.

• Если силы адгезии преобладают над силами когезии, жидкость смачивает поверхность. Краевой угол в этом случае является острым ($\theta < 90^\circ$). При полном смачивании $\theta = 0^\circ$.
• Если силы когезии больше сил адгезии, жидкость не смачивает поверхность. Краевой угол является тупым ($\theta > 90^\circ$).

Ответ: Смачиванием называют явление растекания жидкости по поверхности твёрдого тела, обусловленное взаимодействием молекул жидкости с молекулами твёрдого тела.

2. Приведите примеры смачивания и несмачивания водой различных поверхностей. Объясните явления на основе МКТ.

Примеры смачивания водой:

• Вода на чистой стеклянной поверхности растекается тонкой плёнкой.
• Капля чернил растекается по бумаге.
• Вода хорошо впитывается в хлопчатобумажную ткань или дерево.

Примеры несмачивания водой:

• Капли воды на жирной или вощёной поверхности (например, на парафине) собираются в шарики.
• Вода скатывается с перьев водоплавающих птиц, покрытых жировой смазкой.
• Ртуть на стекле не смачивает его, а образует почти сферические капли.

Объяснение на основе молекулярно-кинетической теории (МКТ):

Согласно МКТ, все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении и взаимодействуют друг с другом. Между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания. Явления смачивания и несмачивания объясняются соотношением сил межмолекулярного взаимодействия.

• Смачивание: Происходит, когда силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами твёрдого тела (адгезия) оказываются сильнее, чем силы притяжения между молекулами самой жидкости (когезия). Например, молекулы воды притягиваются к молекулам чистого стекла сильнее, чем друг к другу. В результате жидкость стремится увеличить площадь контакта с твёрдой поверхностью и растекается по ней.
• Несмачивание: Происходит, когда силы притяжения между молекулами жидкости (когезия) превосходят силы притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела (адгезия). Например, силы притяжения между молекулами воды значительно сильнее, чем их притяжение к молекулам парафина. Поэтому вода на парафине стремится сократить свою поверхность и собирается в каплю, минимизируя контакт с поверхностью.

Ответ: Примеры смачивания: вода на стекле, чернила на бумаге. Примеры несмачивания: вода на парафине, вода на жирной сковороде. Явления объясняются соотношением сил когезии (между молекулами жидкости) и адгезии (между молекулами жидкости и твёрдого тела): если адгезия сильнее — происходит смачивание, если когезия сильнее — несмачивание.

3. Какие явления называют капиллярными?

Капиллярными явлениями (или капиллярностью) называют физические явления, связанные с подъёмом или опусканием жидкости в очень тонких трубках — капиллярах (от лат. capillaris — волосяной), а также в пористых телах и узких щелях.

Эти явления обусловлены совместным действием сил поверхностного натяжения жидкости и сил взаимодействия жидкости с поверхностью стенок капилляра (смачиванием или несмачиванием).

• Если жидкость смачивает стенки капилляра (например, вода в стеклянной трубке), она поднимается по нему выше уровня жидкости в основном сосуде. Поверхность жидкости в капилляре (мениск) при этом вогнутая.
• Если жидкость не смачивает стенки капилляра (например, ртуть в стеклянной трубке), её уровень в капилляре опускается ниже уровня в основном сосуде. Мениск в этом случае выпуклый.

Капиллярные явления играют важную роль в природе и технике: подъём питательных растворов по стеблям растений, впитывание влаги почвой, пропитка тканей и бумаги, работа фитилей и т.д.

Ответ: Капиллярными называют явления подъёма или опускания жидкости в узких трубках (капиллярах) и пористых телах, вызванные силами поверхностного натяжения и взаимодействием жидкости со стенками.

4. От чего зависит высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре?

Высота поднятия (в случае смачивания) или опускания (в случае несмачивания) жидкости в капилляре зависит от нескольких факторов, которые описываются законом Жюрена. Формула для высоты $h$ выглядит так:

$h = \frac{2\sigma\cos\theta}{\rho g r}$

Исходя из этой формулы, высота $h$ зависит от следующих величин:

• Поверхностного натяжения жидкости ($\sigma$): Чем больше коэффициент поверхностного натяжения, тем на большую высоту поднимется или опустится жидкость. Зависимость прямая.
• Радиуса капилляра ($r$): Высота обратно пропорциональна радиусу капилляра. Чем тоньше трубка, тем выше поднимается в ней жидкость.
• Плотности жидкости ($\rho$): Высота обратно пропорциональна плотности жидкости. Более тяжёлую жидкость поднять сложнее, поэтому высота подъёма будет меньше.
• Смачиваемости (краевого угла $\theta$): Высота пропорциональна косинусу краевого угла. Для смачивающих жидкостей $\theta < 90^\circ$, $\cos\theta > 0$, и жидкость поднимается ($h > 0$). Для несмачивающих жидкостей $\theta > 90^\circ$, $\cos\theta < 0$, и уровень жидкости опускается ($h < 0$).
• Ускорения свободного падения ($g$): Высота обратно пропорциональна $g$. На Луне, где $g$ меньше, та же жидкость в том же капилляре поднялась бы на большую высоту.

Ответ: Высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре прямо пропорциональна её поверхностному натяжению и косинусу краевого угла, и обратно пропорциональна радиусу капилляра, плотности жидкости и ускорению свободного падения.

3. Какие явления называют капиллярными?

Капиллярными явлениями (или капиллярностью) называют совокупность физических явлений, обусловленных действием сил поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред (например, жидкость-газ-твердое тело). Наиболее ярко они проявляются в подъеме или опускании жидкости в узких трубках — капиллярах (от лат. capillaris — волосяной), а также в пористых и волокнистых материалах.

В основе капиллярных явлений лежат два ключевых физических механизма:

1. Поверхностное натяжение. На границе жидкости с другой средой (например, с воздухом) молекулы жидкости испытывают взаимное притяжение (силы когезии), которое не скомпенсировано со стороны другой среды. Это приводит к возникновению избыточной поверхностной энергии и появлению силы, стремящейся сократить площадь поверхности жидкости. Эта сила и называется силой поверхностного натяжения.

2. Смачивание и несмачивание. Это явление определяется соотношением между силами притяжения молекул жидкости друг к другу (когезия) и силами притяжения молекул жидкости к молекулам твердого тела, с которым она контактирует (адгезия).

• Если силы адгезии больше сил когезии, жидкость смачивает поверхность. Угол $\theta$ (краевой угол) между поверхностью жидкости и стенкой капилляра будет острым ($\theta < 90^\circ$). При этом у стенки капилляра жидкость образует вогнутый мениск.
• Если силы когезии преобладают, жидкость несмачивает поверхность. Краевой угол $\theta$ будет тупым ($\theta > 90^\circ$), а мениск — выпуклым.

Вследствие этих эффектов в капиллярах наблюдается изменение уровня жидкости по сравнению с ее уровнем в широком сосуде.

В случае смачивания (например, вода в стеклянной трубке) силы поверхностного натяжения создают равнодействующую, направленную вверх вдоль периметра смачивания. Эта сила поднимает столб жидкости до тех пор, пока не уравновесится силой тяжести этого столба.

В случае несмачивания (например, ртуть в стеклянной трубке) равнодействующая сил поверхностного натяжения направлена вниз, что приводит к опусканию уровня жидкости в капилляре.

Высота поднятия или опускания жидкости в цилиндрическом капилляре описывается законом Жюрена:
$h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r}$
где $h$ — высота столба жидкости, $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения, $\theta$ — краевой угол смачивания, $\rho$ — плотность жидкости, $g$ — ускорение свободного падения, а $r$ — радиус капилляра. Из формулы видно, что высота изменения уровня жидкости обратно пропорциональна радиусу капилляра.

Примеры капиллярных явлений в природе и технике:

• подъем питательных веществ по капиллярам в стеблях и корнях растений;
• впитывание жидкости губкой, тканью или бумажной салфеткой;
• подъем керосина по фитилю в лампе;
• движение грунтовых вод;
• пропитка бетона или кирпича влагой.

Ответ: Капиллярными явлениями называют явления подъема или опускания жидкости в тонких трубках (капиллярах) и пористых телах, вызванные силами поверхностного натяжения и эффектами смачивания или несмачивания жидкости на границе с твердым телом.

4. От чего зависит высота подъёма жидкости в капилляре?

3. Какие явления называют капиллярными?

Капиллярными явлениями (или капиллярностью) называют явления подъема или опускания жидкости в узких трубках — капиллярах (от лат. capillaris — волосяной), а также в пористых телах и узких щелях. Эти явления обусловлены силами поверхностного натяжения на границе жидкости с другой средой (например, со стенками трубки).

Причина капиллярности кроется в балансе между силами сцепления молекул внутри самой жидкости (когезия) и силами сцепления молекул жидкости со стенками капилляра (адгезия).

• Если силы адгезии (притяжение к стенкам) сильнее сил когезии (притяжение друг к другу), жидкость смачивает поверхность. В этом случае у стенок капилляра жидкость поднимается, образуя вогнутый мениск. Силы поверхностного натяжения, действующие по периметру мениска, тянут столб жидкости вверх до тех пор, пока не уравновесятся силой тяжести этого столба. Примером является подъем воды в стеклянной трубке.
• Если силы когезии преобладают над силами адгезии, жидкость не смачивает поверхность. Жидкость отталкивается от стенок, образуя выпуклый мениск. Силы поверхностного натяжения в этом случае направлены так, что опускают уровень жидкости в капилляре ниже уровня в широком сосуде. Примером является ртуть в стеклянной трубке.

Капиллярные явления широко распространены в природе и технике: впитывание влаги почвой и бумажными полотенцами, подъем соков по стеблям растений, работа фитиля в лампе, пропитка строительных материалов.

Ответ: Капиллярные явления — это подъем или опускание жидкости в узких трубках (капиллярах) и пористых телах, вызванные силами поверхностного натяжения и характером взаимодействия молекул жидкости со стенками капилляра (смачиванием или несмачиванием).

4. От чего зависит высота подъёма жидкости в капилляре?

Высота подъёма (или опускания) жидкости в капилляре зависит от нескольких факторов, которые связывает между собой формула Жюрена. Высота столба жидкости устанавливается, когда сила поверхностного натяжения, поднимающая жидкость, уравновешивается силой тяжести, действующей на этот столб жидкости.

Формула для высоты подъема жидкости в капилляре выглядит так:

$h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r}$

Из этой формулы видно, что высота $h$ зависит от следующих величин:

• Коэффициента поверхностного натяжения жидкости $\sigma$. Высота подъема прямо пропорциональна этой величине. Жидкости с большим поверхностным натяжением (как вода) поднимаются выше.
• Краевого угла смачивания $\theta$. Это угол, который образует мениск жидкости со стенкой капилляра. Высота подъема пропорциональна $\cos\theta$. Чем лучше жидкость смачивает стенки (чем меньше угол $\theta$), тем выше она поднимается. При полном смачивании $\theta = 0^\circ$ и $\cos\theta = 1$, что соответствует максимальной высоте. Для несмачивающих жидкостей $\theta > 90^\circ$, поэтому $\cos\theta < 0$, и высота $h$ становится отрицательной, что означает опускание жидкости.
• Плотности жидкости $\rho$. Высота подъема обратно пропорциональна плотности. Более плотные жидкости при прочих равных условиях поднимаются на меньшую высоту.
• Радиуса капилляра $r$. Это одна из самых сильных зависимостей. Высота подъема обратно пропорциональна радиусу. То есть, чем тоньше капилляр, тем на большую высоту в нем поднимется жидкость.
• Ускорения свободного падения $g$. В условиях меньшей гравитации жидкость поднималась бы выше.

Ответ: Высота подъёма жидкости в капилляре прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения жидкости и косинусу краевого угла смачивания, и обратно пропорциональна плотности жидкости, ускорению свободного падения и, что наиболее важно, радиусу капилляра.

1. Что нужно сделать, чтобы можно было носить воду в решете?

1. Эта известная загадка имеет решение, основанное на изменении физических свойств воды. В обычном, жидком, состоянии вода обладает свойством текучести, поэтому она неминуемо выльется через отверстия решета. Чтобы удержать воду в решете, необходимо изменить её агрегатное состояние.

Для этого воду нужно охладить до температуры замерзания (0°C при нормальном атмосферном давлении) и дождаться её полного превращения в лёд. Лёд является твёрдым телом, которое, в отличие от жидкости, сохраняет свою форму. Таким образом, кусок льда (замёрзшую воду) можно будет без проблем переносить в решете, так как он не будет проходить через его ячейки.

Ответ: заморозить воду.

2. Для того чтобы обувь дольше носилась, рекомендуют обрабатывать её различными специальными кремами и спреями. Объясните, что при этом происходит.

Решение

Обработка обуви специальными кремами и спреями — это комплексная мера по защите и уходу, основанная на физических и химических принципах и направленная на продление срока службы изделия. Основных механизмов действия несколько.

Во-первых, создается защитный водоотталкивающий барьер. Материалы, из которых изготавливают обувь (особенно натуральная кожа, замша, нубук), имеют пористую структуру. Кремы и спреи содержат гидрофobные (водоотталкивающие) вещества, такие как воски, жиры, силиконы или фторкарбоновые смолы. При нанесении эти вещества заполняют поры материала и создают на его поверхности тонкую плёнку. Эта плёнка не позволяет воде проникать внутрь, заставляя капли скатываться с поверхности. Это защищает обувь от промокания, которое может привести к деформации и растрескиванию материала после высыхания. Также барьер препятствует проникновению грязи и агрессивных дорожных реагентов, разрушающих структуру материала.

Во-вторых, происходит питание и сохранение эластичности материала. Это особенно важно для обуви из натуральной кожи, которая содержит природные масла, обеспечивающие её гибкость. Со временем эти масла испаряются, и кожа становится сухой, жёсткой и ломкой. Обувные кремы, содержащие жиры и масла, восполняют эту потерю. Они проникают в волокна кожи, питают их и возвращают материалу эластичность, предотвращая образование трещин и заломов.

В-третьих, средства по уходу часто выполняют и эстетическую функцию. Кремы с красящими пигментами восстанавливают цвет обуви, маскируют потёртости и царапины, придавая ей обновлённый и ухоженный вид.

Таким образом, регулярная обработка обуви комплексно защищает материал от внешних воздействий, сохраняет его внутреннюю структуру и эластичность, что в совокупности значительно продлевает срок её службы.

Ответ:

При обработке обуви специальными кремами и спреями на её поверхности и в порах материала создаётся тонкий защитный слой. Этот слой обладает водоотталкивающими свойствами, что предотвращает промокание, деформацию и разрушение материала под действием влаги и агрессивных химических веществ (например, дорожной соли). Кроме того, кремы для кожи восполняют потерю естественных жиров в материале, сохраняя его эластичность и предотвращая появление трещин. В результате обувь дольше сохраняет свои эксплуатационные качества и внешний вид.

1. Перед покраской поверхность металла тщательно обезжиривают. Для чего это делают?

1. Обезжиривание металлической поверхности перед покраской является критически важным этапом подготовки, который обеспечивает качество и долговечность лакокрасочного покрытия. Это делается по нескольким причинам, связанным с физическими и химическими явлениями на границе раздела сред.

Основная причина — это обеспечение адгезии, то есть прочного сцепления краски с поверхностью металла. На металлической поверхности почти всегда присутствует тонкая пленка из жиров, масел, смазочных материалов и других загрязнений. Эта пленка мешает краске полноценно смочить металл.

Смачивание — это способность жидкости (в данном случае, краски) растекаться по твердой поверхности и вступать с ней в максимальный контакт. Если на поверхности есть жировая пленка, краска будет контактировать не с металлом, а с этой пленкой. Сцепление между краской и жиром, а также между жиром и металлом, очень слабое. В результате краска ляжет неровно, а после высыхания будет легко отслаиваться, трескаться и пузыриться.

Процесс обезжиривания с помощью растворителей или специальных моющих средств удаляет эту жировую пленку и другие загрязнения. После этого краска наносится на чистую, «активную» поверхность металла. Это позволяет молекулам краски вступить в непосредственный контакт с молекулами металла и образовать прочные межмолекулярные связи. В итоге достигается высокая адгезия, и лакокрасочное покрытие становится прочным, долговечным и эффективно защищает металл от коррозии и других внешних воздействий.

Ответ: Обезжиривание поверхности металла перед покраской необходимо для удаления жировой пленки и других загрязнений, которые мешают прочному сцеплению (адгезии) краски с металлом. Чистая поверхность обеспечивает хорошее смачивание и создание надежных связей между краской и металлом, что делает покрытие долговечным и защищает его от отслаивания.

2. Если ткань пропитана маслом, то она перестаёт пропускать воду. С чем это связано?

Решение

Это явление объясняется фундаментальными физическими и химическими свойствами веществ, в частности, поверхностным натяжением и силами межмолекулярного взаимодействия.

Ткань, по своей сути, является пористым материалом. Она состоит из волокон, между которыми существуют небольшие промежутки — поры. Когда обычная ткань контактирует с водой, вода смачивает волокна (особенно натуральные, как хлопок, которые являются гидрофильными, то есть "любят" воду) и благодаря капиллярному эффекту легко проникает через эти поры.

Когда ткань пропитывают маслом, ситуация кардинально меняется. Масло заполняет все поры и обволакивает каждое волокно тонкой плёнкой. Ключевой аспект заключается в том, что масло и вода не смешиваются. Молекулы масла являются неполярными (гидрофобными — "боящимися" воды), а молекулы воды — полярными.

Силы притяжения между одинаковыми молекулами называются когезией, а между разными — адгезией. В случае воды, её молекулы очень сильно притягиваются друг к другу (сильная когезия), что создаёт высокое поверхностное натяжение. Однако силы притяжения между молекулами воды и молекулами масла (адгезия) очень слабы.

Поэтому, когда капля воды попадает на промасленную ткань, силы когезии внутри капли оказываются намного сильнее сил адгезии, которые могли бы "притянуть" воду к масляной поверхности. Вода не может смочить такую поверхность, она собирается в капли и не проникает в поры, так как они уже заняты маслом, которое её отталкивает. Таким образом, масляная пропитка создаёт эффективный водонепроницаемый барьер.

Ответ: Это связано с тем, что масло является гидрофобным (водоотталкивающим) веществом. Оно заполняет поры в ткани и покрывает её волокна, создавая барьер. Из-за разницы в межмолекулярных силах вода не смачивает покрытую маслом поверхность и не может проникнуть сквозь неё. Сильное поверхностное натяжение воды заставляет её собираться в капли и скатываться с ткани.

3. Объясните смысл поговорки «Как с гуся вода». Какое физическое явление лежит в её основе?

Смысл поговорки «Как с гуся вода»

Это выражение описывает человека, на которого не оказывают никакого влияния упрёки, критика, неприятности или наказания. Всё негативное «скатывается» с него, не причиняя вреда и не оставляя следа, так же, как вода скатывается с перьев гуся, не смачивая их. Поговорка символизирует невосприимчивость и безразличие к внешним негативным воздействиям.

Физическое явление, лежащее в её основе

В основе поговорки лежит физическое явление несмачивания. Перья гуся и других водоплавающих птиц покрыты жировой смазкой, которую выделяет копчиковая железа. Эта смазка обладает гидрофобными (водоотталкивающими) свойствами.

Когда вода попадает на такую поверхность, силы притяжения между молекулами самой воды (силы когезии) оказываются значительно сильнее сил притяжения между молекулами воды и жировой поверхностью пера (силы адгезии). Вследствие этого вода не растекается по перу, а под действием сил поверхностного натяжения собирается в шарообразные капли. Такие капли имеют очень малую площадь контакта с поверхностью и легко с неё скатываются. Явление несмачивания характеризуется большим краевым углом ($ \theta > 90^{\circ} $), что и позволяет гусю выходить из воды сухим.

Ответ: Смысл поговорки заключается в описании невосприимчивого к неприятностям и критике человека. Физическая основа — явление несмачивания: вода не смачивает перья гуся из-за наличия на них гидрофобной жировой смазки и скатывается с них в виде капель.

4. На сыром грунте следы от шагов намокают. Почему это происходит?

4. Это явление объясняется совокупностью двух факторов: пористой структурой грунта и давлением, которое создается при ходьбе.

Сырой грунт представляет собой пористую среду, состоящую из твердых частиц, между которыми находятся небольшие пространства — поры или капилляры. В сыром грунте эти поры частично или полностью заполнены водой, которая удерживается в них благодаря силам поверхностного натяжения (капиллярному эффекту).

Когда человек делает шаг, его вес $F$ приходится на площадь подошвы $S$. Это создает давление $p$ на грунт, которое рассчитывается по формуле $p = F/S$. Под действием этого внешнего давления частицы грунта сжимаются и уплотняются. В результате объем пор (капилляров) в месте следа уменьшается.

Вода, в отличие от воздуха, является практически несжимаемой жидкостью. Поэтому, когда объем пор уменьшается, вода, находящаяся в них, вытесняется. Она поднимается вверх по сужающимся капиллярам и выступает на поверхность грунта внутри следа.

Таким образом, в месте, где был сделан шаг, концентрация воды на поверхности становится выше, чем на окружающем нетронутом участке, из-за чего след и выглядит намокшим.

Ответ: Следы на сыром грунте намокают из-за того, что под давлением ноги грунт уплотняется. При этом поры между частицами грунта сужаются и выталкивают (выдавливают) содержащуюся в них воду на поверхность.

1. Возьмите две небольшие прямоугольные стеклянные пластины. Вымойте их и хорошо вытрите. Плотно прижмите пластины друг к другу. Разъедините их.

Теперь проделайте опыт с влажными пластинами. В каком случае разъединить пластины было легче? Почему?

Разъединить пластины было легче, когда они были сухими.

В случае сухих и чистых пластин, прижатых друг к другу, их удерживают вместе только силы межмолекулярного притяжения. Эти силы действуют на очень малых расстояниях, и из-за неизбежных микроскопических неровностей на поверхностях стекла, площадь реального контакта очень мала. Поэтому суммарная сила притяжения оказывается незначительной, и пластины можно легко разъединить.

Когда между пластинами находится тонкий слой воды (например, если они влажные), ситуация кардинально меняется, и разъединить их становится гораздо труднее. Это происходит из-за совокупного действия двух основных физических явлений:

• Поверхностное натяжение: Молекулы воды на границе с воздухом (по краям зазора между пластинами) втягиваются внутрь жидкости, стремясь минимизировать площадь поверхности. Это создает силу, которая "стягивает" пластины, прижимая их друг к другу.
• Атмосферное давление: Тонкая пленка воды вытесняет воздух и практически герметизирует зазор между пластинами. При попытке оторвать пластины друг от друга, объем этого зазора немного увеличивается, что приводит к падению давления в воде (оно становится ниже атмосферного). Внешнее атмосферное давление, действующее на наружные поверхности пластин, оказывается значительно больше, чем давление изнутри. Возникающая разность давлений создает большую силу, которая не дает пластинам разъединиться. Этот эффект вносит основной вклад.

Таким образом, сила, удерживающая влажные пластины вместе, значительно превосходит слабое межмолекулярное взаимодействие сухих пластин.

Ответ: Разъединить пластины было легче, когда они были сухими. Это объясняется тем, что между влажными пластинами, в отличие от сухих, действуют значительно более сильные силы притяжения, обусловленные поверхностным натяжением воды и, в большей степени, действием атмосферного давления.

2. Возьмите полоску плотной бумаги шириной 2—3 см. Сделайте на ней подсолнечным маслом простой рисунок, например квадрат, круг, треугольник. Опустите бумагу с рисунком в воду, окрашенную гуашью или акварельной краской.

Выньте бумагу с рисунком из раствора, встряхните её и посмотрите на получившийся рисунок. Можно ли наблюдаемое явление использовать? Для чего?

Решение

В основе наблюдаемого явления лежат разные физические свойства материалов (бумаги и масла) по отношению к воде. Это свойство называется смачиваемостью.

Бумага состоит из волокон целлюлозы, которые являются гидрофильными, то есть они хорошо смачиваются водой и впитывают её. Когда чистая бумага попадает в воду, вода проникает между волокнами, и бумага намокает.

Подсолнечное масло, как и другие жиры, является гидрофобным веществом. Это означает, что оно отталкивает воду и не смешивается с ней. Когда мы наносим масло на бумагу, оно пропитывает волокна в месте рисунка и создает на их поверхности тонкую жировую пленку.

Когда мы опускаем бумагу с масляным рисунком в окрашенную воду, происходят следующие процессы:

• Участки бумаги, не покрытые маслом, впитывают окрашенную воду и окрашиваются.
• Участки бумаги, пропитанные маслом, отталкивают воду. Краситель, растворенный в воде, не может проникнуть в эти области и закрепиться на них.

В результате, когда мы вынимаем бумагу и стряхиваем воду, на окрашенном фоне мы видим светлый, неокрашенный узор, который в точности повторяет рисунок, нанесенный маслом.

Можно ли наблюдаемое явление использовать? Для чего?

Да, это физическое явление нашло широкое применение в различных сферах деятельности человека.

1. В искусстве и творчестве. Описанный опыт — это пример художественной техники, называемой «резервирование» (или резист-техника). Художники часто используют восковые или масляные мелки для создания рисунка, а затем покрывают весь лист акварельной краской. Краска ложится только на те участки, где нет жирного мелка, создавая интересный эффект. Похожий принцип используется в батике — технике росписи ткани.

2. В полиграфии. На этом принципе основан один из основных видов печати — литография (плоская печать). На гладкую поверхность камня или металлической пластины жирным веществом наносится изображение. Затем поверхность обрабатывается кислотой и увлажняется. Вода смачивает только свободные от жира участки. После этого наносится жирная типографская краска, которая прилипает только к жирному рисунку. Затем изображение под давлением переносится на бумагу.

3. Для гидроизоляции. Пропитка пористых материалов, таких как бумага, картон или ткань, маслами, воском или парафином делает их водонепроницаемыми. Примерами могут служить вощёная бумага для упаковки пищевых продуктов, пергамент для выпечки, а также водоотталкивающие ткани для одежды (вощёные куртки) и тентов.

Ответ: Да, можно. Наблюдаемое явление, основанное на том, что жиры отталкивают воду (гидрофобность), используется в искусстве для создания рисунков (техника резервирования, батик), в полиграфии для печати изображений (литография) и для изготовления водонепроницаемых материалов (вощёная бумага, водоотталкивающие ткани).

3. Небольшой участок тыльной стороны кисти руки смажьте вазелином или жирным кремом. С помощью пипетки капните на руку по одной капле воды на смазанную поверхность и на несмазанную. Рассмотрите форму капель и сделайте вывод.

При выполнении данного эксперимента наблюдаются различия в форме капель воды на двух участках кожи, что позволяет сделать вывод о физических явлениях смачивания и несмачивания.

Наблюдение

1. На несмазанной поверхности: капля воды, помещенная на чистый участок тыльной стороны кисти, растекается, становится относительно плоской. Площадь её контакта с кожей довольно большая.

2. На смазанной поверхности: капля воды на участке, покрытом вазелином или жирным кремом, не растекается, а собирается в почти шарообразную, выпуклую форму. Площадь её контакта с поверхностью минимальна.

Вывод

Форма капли жидкости на твёрдой поверхности зависит от соотношения сил молекулярного взаимодействия. Существуют два типа сил:

• Силы когезии (сцепления) — силы притяжения между молекулами самой жидкости (в данном случае, между молекулами воды).

• Силы адгезии (прилипания) — силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами твёрдого тела (между молекулами воды и кожи или между молекулами воды и вазелина).

В зависимости от того, какие силы преобладают, наблюдается либо смачивание, либо несмачивание.

В случае с чистой кожей силы прилипания молекул воды к поверхности кожи оказываются достаточно сильными (сопоставимыми с силами сцепления внутри воды). В результате вода "стремится" прилипнуть к коже и растекается по ней. Это явление называется смачиванием. Краевой угол $\theta$, образуемый поверхностью капли и твёрдым телом, в этом случае острый ($ \theta < 90^\circ $).

Вазелин (или жирный крем) является гидрофобным веществом, то есть "боится" воды. Силы прилипания между молекулами воды и молекулами вазелина очень слабы. Они значительно меньше сил сцепления между молекулами воды. Поэтому молекулы воды под действием сил поверхностного натяжения стремятся собраться вместе, уменьшая площадь контакта с "неприятной" им поверхностью. Капля принимает форму, близкую к сферической. Это явление называется несмачиванием. Краевой угол $\theta$ в этом случае тупой ($ \theta > 90^\circ $).

Ответ: На чистой коже капля воды растекается, так как силы прилипания молекул воды к коже велики (явление смачивания). На смазанной вазелином коже капля воды принимает шарообразную форму, так как силы сцепления между молекулами воды больше сил прилипания к жирной поверхности (явление несмачивания). Следовательно, форма капли на поверхности зависит от свойств самой поверхности и от соотношения сил сцепления и прилипания.