Нестандартные задачи по физике

поверхностное натяжение^*

Задание

Опыты с мыльными пузырями.

Приготовьте раствор хозяйственного мыла, в который добавьте 1/3 глицерина (по объему). Лучше всего для раствора пользоваться дождевой или снеговой водой. Но если такой нет, хорошо использовать охлажденную кипяченую воду. С поверхности раствора убирают пену и погружают в него узкую трубочку, конец которой вымазан мылом. Можно пользоваться и соломинкой (10 см), крестообразно расщепленной на конце.

а) Цилиндр из мыльной пленки:

Осторожно выдуйте мыльный пузырь и опустите его на проволочное кольцо, укрепленное на штативе (рис. 1). Затем сверху к пузырю приложите такое же кольцо, смоченное раствором. Куском раскаленной проволоки проткните пузырь в верхней точке. Мыльная пленка внутри верхнего кольца лопнет, внутри нижнего кольца будет плоской, а между кольцами выгнется внутрь (рис. 1).

Рис. 1

Объяснение.

Давление воздуха внутри мыльного пузыря уравновешивает давление мыльной пленки и внешнее атмосферное давление. После прокалывания пузыря давление внутри получившейся фигуры будет равно атмосферному, а давление мыльной пленки падает до нуля, так как в каждой точке между кольцами пленка имеет двойную кривизну, причем радиусы кривизны равны и имеют противоположные знаки.

б) Убегающий пузырь.

Подберите две такие соломинки, чтобы конец одной плотно входил в конец другой. Выдуйте на этих соломинках два мыльных пузыря как можно более разных диаметров. Соедините соломинки концами так, чтобы получилась одна целая трубка с мыльными пузырями на концах (рис. 2).

Пузырь с меньшим диаметром будет уменьшаться, а воздух из него перейдет в большой пузырь.

Рис. 2

Объяснение.

Давление поверхностной пленки пузыря на находящийся в ней воздух вызывается силами поверхностного натяжения. Это давление будет тем больше, чем меньше диаметр пузыря, поэтому воздух из маленького шарика устремится по трубке в большой, а сам мыльный пузырь станет еще меньше. Создается впечатление, что он «убегает» в большой мыльный пузырь.

Задание

Как насекомые используют силу поверхностного натяжения
воды?

Решение.

1. Водяное насекомое водомерка использует поверхностную пленку воды в качестве опоры для передвижения. Она опирается на воду только конечными члениками широко расставленных лапок, которые не смачиваются водой. Водомерка может даже делать огромные прыжки на воде, не прорывая ее поверхностного слоя.

2. Личинка комара подвешивается снизу к поверхностной пленке с помощью особых крючков, окружающих ее органы дыхания. Так, используя силы поверхностного натяжения, личинка комара может дышать и развиваться.

Ответ: насекомые используют поверхностное натяжение воды как опору и как подвес.

Задание

Можно ли бегать по поверхности воды? Может ли вода течь вверх?

Решение.

Да, благодаря исключительно большому поверхностному натяжению (72 мН/м) - силе, стягивающей поверхность жидкости. Эта сила придает мыльному пузырю, падающей капле форму шара. Она поднимает воду в почве, поддерживает бегающих по поверхности пруда жуков, лапки которых водой не смачиваются.

Ответ: все это возможно благодаря поверхностному натяжению.

Задание

Как болотные птицы бегают по воде?

Уточнение. Птицы бегают по плавающим на воде листьям.

Решение.

Плавающие листья очень тонкие и тяжелые, так что, если птица задержится на одном из них хотя бы на несколько секунд, лист опустится под воду.

Но ловкая птица не делает остановок. Она бежит с листа на лист, отталкиваясь с силой, превосходящей ее собственный вес. При этом лист почти не успевает погрузиться в воду. Откуда у тонкого листа такая инерция? Все дело в его присоединенной массе. Когда птица давит на лист, последний начинает двигаться с ускорением, испытывая не только гидродинамическое сопротивление (которым можно пренебречь), но и силу, вызванную инерцией воды.

Эта сила подчиняется второму закону Ньютона, то есть пропорциональна ускорению и массе, участвующей в движении.

Какая же масса участвует в движении, когда тело двигается в воде? Двигаясь в воде, тело приводит в движение всю окружающую его массу воды, причем близлежащие слои двигаются со скоростью самого тела.

За счет этих слоев и создается фиктивная масса, называемая присоединенной.

Величина присоединенной массы зависит от формы плавающего предмета. Чем шире лист, тем больше его присоединенная масса. При поперечном движении она может в сотни раз превосходить массу самого листа.

Поэтому болотные птицы так легко бегают по листьям.

Ведь убегать от хищника или охотника намного надежнее, чем уплывать: скорость больше.

Ответ: присоединенная масса листьев растений позволяет болотным птицам бегать по воде.

Задание

Из неисправного крана капает вода с периодом времени ∆t = 1 с. Диаметр шейки капли в момент отрыва считается равным внутреннему диаметру трубы крана d = 2 см.

Определить массу вытекающей за сутки воды.

Решение.

Отрыв капли происходит тогда, когда сила поверхностного натяжения F = σπd становится равной весу капли mg (рис. 3), то есть

mg = 5σπd,

где т - масса капли; σ - коэффициент поверхностного натяжения воды; = 7,3 · 10^-2 Н/м.

Рис. 3

Масса капли выразится формулой

m = .

Если t - время между каплями, то за время t из крана вытечет капель, тогда масса М вытекаемой воды за время t будет равна

М = .

За сутки из крана вытечет

М =  40,4 кг.

Ответ: за сутки из крана вытекает  40,4 кг воды.

Вода в решете

Возьмите проволочное решето с не слишком мелкими ячейками (около 1 мм) и окуните его сетку в растопленный парафин. Затем выньте решето из парафина - проволока оказалась покрытой тонким слоем парафина, едва заметным для глаз.

Решето осталось решетом: в нем есть сквозные отверстия, через которые свободно проходит булавка, но теперь вы можете на глазах изумленной публики, в буквальном смысле слова, носить в нем воду.

В таком решете удерживается довольно высокий слой воды, не проливаясь сквозь ячейки; надо только осторожно носить воду и оберегать решетку от толчков.

Объяснение.

Вода не проливается, потому что, не смачивая парафин, она образует в ячейках решета тонкую пленку, обращенную выпуклостью вниз, которая и удерживает воду (рис. 4). Поверхностная пленка воды, стремясь распрямиться, оказывает давление вверх.

Опыт-фокус можно продолжить: парафинированное решето положить на воду, и оно будет держаться на ней. Следовательно, плавать может и дырявая посудина.

Рис. 4

Копейка, которая в воде не тонет

Возьмите стакан и наполните его водой. Положите на поверхность воды лоскуток папиросной бумаги, а на него - совершенно сухую монетку. Проще всего опыт получается с монетой из алюминиевого сплава. Теперь остается только осторожно удалить папиросную бумагу из-под монеты. Делается это так: вооружившись иглой или булавкой, слегка погружают края лоскутка в воду, постепенно подходя к середине; когда лоскуток весь намокнет, он упадет на дно, монетка же будет продолжать плавать (рис. 5). Правда, для того, чтобы монетка оставалась на плаву, надо предварительно потренироваться.

Рис. 5

Объяснение.

Причина плавания монетки состоит в том, что вода плохо смачивает металл, побывавший в наших руках и поэтому покрытый тончайшим слоем жира. Оттого вокруг плавающей монеты на поверхности воды образуется вдавленность, которую можно видеть. Поверхностная пленка жидкости, стремясь распрямиться, оказывает давление вверх на монетку и тем поддерживает ее.