Роль поверхностного натяжения жидкости

Преподаватель физики

ГБПОУ КСУ № 3 г. Москва

Загранышная Светлана Варсанофьевна

• Ознакомиться с механизмом поверхностного натяжения жидкости.
• Рассмотреть некоторые примеры поверхностного натяжения жидкости в природе и в жизни человека, не упомянутые в рамках среднего общего образования.
• Выявить взаимосвязь четвертой промышленной революции с молекулярной физикой (поверхностное натяжение жидкости).

• Четвертая промышленная революция, или же «Индустрия 4.0» — это прогнозируемые изменения во всех сферах общественной жизни, обусловленные современной тенденцией к автоматизации и обмену информацией в производственных технологиях.
• К характеристикам четвертой промышленной революции относятся такие технологические прорывы как искусственный интеллект, роботизация, интернет вещей, автомобили-роботы, трехмерная печать, нанотехнологии, биотехнологии, материаловедение, накопление и хранение энергии, квантовые вычисления.
• Данный термин ввёл президент Всемирного Экономического Форума — Клаус Шваб. В соответствии с его видением, это концепция, согласно которой мы стоим на пороге новой эпохи, где виртуальный мир объединен с физическим с помощью технологий.
• Т.е. появляются совершенно новые технологии, новые приборы, которые я в своей работе хочу показать на примерах поверхностного натяжения жидкости.

У поверхности воды есть особое свойство – поверхностное натяжение.

На каждую поверхностную молекулу действует сила, стремящаяся втянуть ее вглубь жидкости. Эти сила называется силой поверхностного натяжения.

Если под действием этой силы молекула втягивается с поверхности в объем жидкости, то количество молекул на поверхности уменьшается и, как следствие, площадь поверхности жидкости сокращается.

Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы.

Это неверно.

Естественная форма всякой жидкости – шар.

Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если сосуда нет, либо же принимает форму сосуда.

Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость принимает естественную, шарообразную форму.

Оливковое масло всплывает в воде, но тонет в спирте.

Этот опыт впервые произвел бельгийский физик Жозеф Плато.

• В отсутствие сильного трения о воздух капля будет шарообразной формы.
• Например на космической станции любая разлитая жидкость будет собираться в летающий шарик.

http://virtuallab.by/publ/video_opyty/video_opyty/opyt_plato_ili_estestvennaja_forma_zhidkosti/1-1-0-295

В гигантских масштабах такое явление можно наблюдать у нашей звезды Солнца и планет-гигантов.

Вращаются эти небесные тела вокруг своей оси очень быстро.

В результате такого вращения тела очень сильно сжаты у полюсов.

• Яркий пример сил действия поверхностного натяжения – мыльные пузыри. Для выдувания мыльного пузыря надо совершить некоторую работу, которая пойдет на увеличение поверхностной энергии.
• Эту энергию можно «получить обратно» в виде потока воздуха, если прекратить выдувание. Сил потока сдувающегося мыльного пузыря будет достаточно, чтобы, например, колыхать пламя свечи.

• В метеорологии и аэронавтике прототип мыльного пузыря — аэростат (воздушный шар) — используется  для разведки погоды и увлекательных воздушных путешествий.
• В оболочке мыльного пузыря находится горячий воздух, который (как известно) обладает меньшей плотностью, чем холодный и собственно, поэтому пузырь способен подниматься вверх. По такому же принципу взлетает в небо аэростат.

• Мыльная плёнка, натянутая на каркасы, может принимать самый невероятный, казалось бы, вид. Этим свойством широко пользуются архитекторы и конструкторы. Площадь пленок, натянутых на каркас, всегда минимальна, т.к. это соответствует минимуму поверхностной энергии.
• При проектировке зданий крыши макетов выполняются в виде каркасов. Расчет проверяется с помощью мыльных пленок, которые формируются на этих рамках. Архитекторы и конструкторы знают, что натянувшаяся плёнка подскажет им самую экономичную и устойчивую конструкцию покрытия при минимальном расходе материала.

Крыша Олимпийского стадиона в Мюнхене была смоделирована с помощью мыльной пленки. При постройке крыши вместо мыльного раствора использовали плексиглас.

• Вихри, определенным образом созданные в мыльных пузырях, ведут себя аналогично более масштабным атмосферным явлениям, таким как циклоны и ураганы.
• Мыльные пузыри дали возможность промоделировать факторы, управляющие траекторией поведения ураганов.

снимок урагана Катрина — одного из наиболее разрушительных ураганов в истории США, — сделанный со спутника 29 августа 2005 года. 

Интерференционная картин, из которой видно, что при наибольшей разности температур между экватором и полюсом происходило зарождение вихря, подобного атмосферному циклону.

снимок Большого красного пятна  — атмосферного образования на Юпитере. 

• Даже когда пузырь лопается, это тоже идет на пользу науке.
• Изучая лопающиеся пузырьки, ученые, пришли к пониманию процессов кавитации - образовании в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн).
• Когда такое происходит в воде, давление меняется очень резко, отчего может разрушиться даже металл, скажем, гребной винт корабля или трубопровод.

• Как только пузырь касается ледяной поверхности, мыльная жидкость стекает по его стенкам. Примерно через секунду появляются крошечные кристаллы льда, которые уносятся вверх поднимающимися потоками жидкости. И наконец, сотни этих кристаллов кружатся независимо друг от друга на поверхности пузыря, они продолжают расти, пока весь пузырь не замерзает полностью примерно через сорок секунд. И если больше не поднимается мыльная жидкость, эффект снежного кома заканчивается.
• Это результат явления, известного как эффект Марангони , который возникает, когда в жидкостях возникает разность температур.
• Этот эффект отвечает за появление характерных «слез» в бокале вина.

• Силы поверхностного натяжения очень наглядно проявляются и во время купания. Когда человек погружается с головой в воду, его волосы расходятся во все стороны. Но стоит только высунуть голову из воды, волосы сразу же лягут на голове слипшимися слоями, поскольку в этом случае поверхность воды имеет меньшую площадь, чем при раздельном расположении волос.
• Аналогичный эффект наблюдается при использовании художественной кисти.

• Под воздействием ветра на поверхности океанов, морей и озер образуется рябь, и эта рябь представляет собой волны, в которых действующая вверх сила внутреннего давления воды уравновешивается действующей вниз силой поверхностного натяжения.
• Две эти силы чередуются, и на воде образуется рябь, подобно тому как за счет попеременного растяжения и сжатия образуется волна в струне музыкального инструмента.

• Силы поверхностного натяжения используются в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например ружейной дроби.
• Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер.

• В горной промышленности с помощью пузырьков, но воздушных, проводят флотацию: процесс обогащения горных руд.
• Пузырьки в растворе обволакивают частички руды и поднимают её на поверхность, а пустая порода остаётся на дне.

• Мыльные пузыри используются в нефтеперерабатывающей промышленности.
• Чтобы превратить нефть в различные материалы, необходимые человечеству, ее приходится перерабатывать.
• Если в уже очищенную нефть добавить воды и поверхностно-активные вещества, то в нефти образуются стабильные "мыльные пузыри", наполненные водой.
• Оказалось, что в этих пузырьках, которые ученые назвали " мицеллами ", могут происходить различные химические реакции.
• Ученые сконструировали такие " микрореакторы " для окислительной переработки углеводородного сырья. Так называемое жидкофазное окисление углеводородов позволяет превратить нефть в органические кислоты, эфиры, мономеры.
• Именно из этих веществ потом получают полимеры, красители, лекарства и многое другое.

• Ученые из Северозападного университета в Чикаго обнаружили, что палочки и колбочки в сетчатке глаза упакованы по принципу уменьшения площади поверхности.

Сетчатка под электронным микроскопом

• Ознакомились с механизмом поверхностного натяжения жидкости.
• Были рассмотрены некоторые примеры поверхностного натяжения жидкости в природе и в жизни человека, не упомянутые в рамках среднего общего образования.
• Из выше сказанного можно сделать вывод, поверхностное натяжение жидкости играет большую роль как в науке так и в жизни человека и природы. Т.е. появляются совершенно новые технологии, новые приборы, которые были показаны на примерах поверхностного натяжения жидкости. Без поверхностного натяжения жидкости многих вещей просто не было бы в жизни человека.

• https://moluch.ru/conf/econ/archive/265/14072/
• https://kopilkaurokov.ru/fizika/uroki/mietodichieskaia-razrabotka-uroka-povierkhnostnoie-natiazhieniie
• https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-termodinamiki/poverhnostnoe-natyazhenie
• http://virtuallab.by/publ/video_opyty/video_opyty/opyt_plato_ili_estestvennaja_forma_zhidkosti/1-1-0-295
• https://obrazovaka.ru/fizika/poverhnostnoe-natyazhenie-fizicheskiy-smysl.html
• https://videouroki.net/
• https://coollib.com/b/419569/read
• www.lerner.ccf.org
• https://medportal.ru/mednovosti/kletki-setchatki-pohozhi-na-mylnye-puzyri/
• https://pedsovet.org/publikatsii/fizika/mylnye-puzyri-v-nevesomosti
• https://mipt.ru/dppe/science_articles/convection_in_soap_bubbles.php