Горизонты техники для детей, 1972 №2

Мир в глазах физика

В декабрьском номере журнала мы писали о строении кристаллов. Сегодня давайте поговорим о жидкостях. Что общего существует между кристаллами и жидкостями и чем они отличаются между собой?

Пожалуй, каждый из вас не раз видел, как мама высылает из пакета мелкую крупу или муку. Не правда ли, что при этом крупа похожа на струю воды, текущую из крана, хотя отчетливо видны отдельные крупинки? Мука ещё больше напоминает струю жидкости, так как состоит из более мелких частиц… Случайно ли такое сходство?

Ребята, вспомните, как мы рассматривали под микроскопии каплю воды. При огромном увеличении было видно, что вода состоит из множества мельчайших частиц, которые плотно заполняют весь объём капли. Эти мельчайшие частицы или молекулы могут свободно перемещаться относительно друг друга. Вот почему капля воды не имеет определённой формы и всегда принимает форму сосуда, в котором она находится. Вот почему мы говорим, что жидкости, ведь к ним относится вода, обладают свойством текучести. Вторым основным признаком жидкого состояния вещества является сохранение объёма. Молекулы воды нельзя сжать или наоборот заставить менее плотно заполнить каплю.

Каждая молекула воды состоит из трёх атомов: двух маленьких атомов водорода (Н) и одного бóльших размеров атома кислорода (О). Поэтому вода имеет следующую формулу — H₂O. Молекулы других жидкостей, например, глицерина, спирта, бензина, имеют иное строение, но обладают такими же свойствами, как молекулы воды.

Теперь давайте нальём немного воды на тарелку или клеёнку. Мы всегда сумеем указать край нашей «лужицы», хотя и «размажем» воду в разные стороны. Если мы насыпем на стол горсть крупы, то зернышки с края можно свободно перемещать, увеличивая или уменьшая расстояние между ними.

Сохранение постоянного объёма у жидкости объясняется наличием значительных сил сцепления между её молекулами. Чтобы убедиться в этом, поместите каплю воды на полистироловую пластинку. Вы сразу заметите, что капля как будто «съёжилась» и стала похожа на сплющенный шарик. Значит между молекулами воды существуют какие-то силы притяжения. Они способствуют тому, что капля не «рассыпается», как горсть крупы, а все молекулы воды располагаются возможно ближе друг к другу, в результате чего капля принимает форму шарика. Вот эти силы и называются силами сцепления жидкости.

А сейчас, ребята, попробуйте поместить каплю воды на чистую стеклянную поверхность (предупреждаем: стекло не может быть жирным). Что такое? Капля воды, которая «ёжилась» на пилистироловой пластинке, теперь вдруг расплывается. Неужели силы сцепления исчезли? Ничего подобного, эти силы по-прежнему действуют. Тогда что же случилось? — спросите вы. Дело в том, что капля воды находится на чём-то: в первом случае на полистироле, а позднее — на стекле. Вы уже догадываетесь, вероятно, что странное «поведение» капли зависит от того, на чём она лежит. Ведь кроме сил сцепления действуют те же силы притяжения между молекулами воды и молекулами или атомами твёрдой поверхности, на которой расположена капля. Их называют силами прилипания или адгезионными силами. Именно от этих сил зависит, как ведёт себя капля — «ёжится» или расплывается. В первом случае силы прилипания очень незначительны, поэтому капля принимает форму шарика. Во втором случае молекулы воды взаимодействуют друг с другом слабее, чем с молекулами стекла, и капля как будто притягивается к стеклянной поверхности.

Если вы хотите, чтобы наши опыты были более наглядными, смажьте полистироловую пластинку маслом, а стеклянную поверхность протрите мыльным раствором.

До сих пор мы наблюдали за каплей воды. Теперь давайте познакомимся, как ведёт себя значительное количество воды в полистироловом сосуде. На первый взгляд поверхность виды — горизонтальная, но стоит более внимательно присмотреться к ней, и мы заметим, что у краёв сосуда поверхность воды искривляется. На рис. 2а в большом увеличении показана форма поверхности воды вблизи стенки сосуда. Как видите, у самой стенки полистиролового сосуда горизонтальная поверхность искривляется вниз. Это происходит потому, что здесь силы сцепления между молекулами воды превышают силы прилипания. Молекулы, которые оказались у краёв сосуда, «втягиваются» внутрь жидкости.

Если мы нальём воду в стеклянный сосуд, где адгезионные силы у стенок больше, чем силы сцепления между молекулами внутри жидкости, то горизонтальная поверхность у краёв сосуда искривляется кверху (см. рис. 2б).

В широких сосудах свободная поверхность воды искривляется только у самой стенки сосуда. Однако если поместить жидкость в достаточно узкую стеклянную трубку, то искривляется уже вся свободная поверхность жидкости — получается вогнутый или выпуклый мениск (от греческого слова «менискос» — лунный серп).

В узкой стеклянной трубке поверхность воды принимает форму вогнутого мениска.

Ребята, опустите узкую стеклянную трубку в воду. Вы увидите, что внутри трубки поверхность воды примет форму вогнутого мениска, а столбик воды начнёт подниматься. Причём высота подъёма воды в трубке тем больше, чем меньше её диаметр. Все достаточно узкие трубки получили название капилляров (от греческого слова «капиллус» — волос), а перемещения жидкостей по капилляру называются капиллярными явлениями.

Мы встречаемся с капиллярными явлениями в природе, быту и технике.

При вытирании мокрых рук вода впитывается в полотенце по капиллярам. Промокательная бумага впитывает чернила потому, что в ней тоже имеются капилляры. По этой же причине на плохой бумаге чернила расплываются. Хорошие сорта бумаги пропитывают специальным составом, закупоривающим капилляры.

Особенно важную роль капиллярность играет в природе и сельском хозяйстве. Вода и минеральные соли из почвы поступают к листьям по тонким, волосным канальцам стеблей. В стволах деревьев вода поднимаемся на высоту 30, 50 и даже 100 метров. Из подпочвенных слоев к поверхности земли вода поднимается по узким порам между частицами почвы, обуславливая ту или иную степени влажности почвы. Причём чем плотнее почва, тем уже капилляры. В слишком рыхлой земле вода поднимается хуже и растения начинают сохнуть. Поэтому землю в цветочных горшках следует слегка уплотнить, тогда цветы будут лучше расти.

Вы тоже можете использовать капиллярность в качестве помощника. Очень часто летом все выезжают из дому и некому поливать цветы. А ведь достаточно сделать «водопроводы» из какого-нибудь старого полотенца. Один конец такого провода чуть закопайте в цветочном горшке, а второй — опустите в сосуд с водой, например, большой таз. Цветы поставьте на невысокие табуретки, а таз на пол: цветочная «автопоилка» готова!

ПЕТР СЛОДОБЫ