XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Загадки поверхностного натяжения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Корольчук У.Э. 1

---

1МБОУ СОШ №8 корпус 1

Морыженкова Е.А. 1

---

1МБОУ СОШ №8 корпус 1

Работа в формате PDF

2.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение:

Как утверждал Сергей Петрович Капица: «Знания человечества об окружающем мире составляют лишь 4%...»

Когда мама принесла домой журнал BCM Evolutionary Biology, и я прочитала статью об исследованиях британских учёных под руководством Морито Хайаши про то, как пауки могут ходить по воде, у меня возник вопрос: «Как им это удаётся?» А еще я увидела, как паук передвигается по падающей вниз капле воды. Значит, пауки могут ходить по воде даже в невесомости?

Оказалось, за это всё отвечает сила поверхностного натяжения.

Но обо всём по порядку.

Для начала я узнала, что пауки бывают разными, в мире их насчитывается более 42 тыс. видов, а в России более 1000 видов.

В России представлены такие семейства членистоногих, как волки,охотники, скакуны, землекопы, воронковые, черные вдовы, пауки-вязальщики, кругопряды и т.д. Но из всего многообразия меня заинтересовали пауки-охотники. Они питаются рыбой, головастиками и насекомыми, но для охоты за ними навыков другихпауков будет маловато. Эти пауки могут ходить по воде и даже плыть на ее поверхности или, вставая на «носочки», чтобы поймать ветер, двигаются в нужном направлении.

В одомерки – это хоть и насекомые, уникальны тем, что умеют ходить по воде. Ученые открыли более 700 видов водомерок, 10% из которых являются морскими, а 90% - пресноводными обитателями. Лапы водомерок расположены таким образом, что насекомое равномерно распределяет вес своего тела и не тонет на поверхности воды, а легко скользит по ней.

Я озадачилась возможностью хождения насекомых и пауков по воде и обратилась к литературе по физике, в том числе школьным учебникам, справочникам, большой школьной энциклопедии, интернет - ресурсам.

Но не на все вопросы я нашла ответы и решила провести серии экспериментов, в которых надеялась выяснить, как хождение пауков по воде зависит от формы лапок, от их размеров, от того, какая это вода (пресная или морская)? Таким образом, объектом моего исследования стала возможность передвижения пауков по поверхности воды.

В кабинете физики нашлось подходящее оборудование для взвешивания, а остальные детали я изготовила дома самостоятельно.

Проводя опыты, я косвенным образом измерила силу поверхностного натяжения, каждый раз добиваясь того, что под действием веса соли, которую я насыпала на чашу весов, происходил отрыв от воды проволочных фигур, прикрепленных к другой чаше весов.

Основная часть

Особенности жидкого состояния вещества

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены вплотную друг к другу. Возможность свободного перемещения молекул относительно друг друга обусловливает свойство текучести жидкости. Жидкости имеют постоянный объем и не имеют постоянной формы.

С силами притяжения между молекулами и подвижностью молекул в жидкостях связано проявление сил поверхностного натяжения.

Внутри жидкости силы притяжения, действующие на одну молекулу со стороны соседних с ней молекул, взаимно компенсируются. Любая молекула, находящаяся у поверхности жидкости, притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости. Под действием этих сил молекулы с поверхности жидкости уходят внутрь жидкости и число молекул, находящихся на поверхности, уменьшается до тех пор, пока свободная поверхность жидкости не достигнет минимального из возможных в данных условиях значения.

Д иаграмма сил сцепления на молекулах жидкости

Минимальную поверхность среди тел данного объема имеет шар, поэтому при отсутствии или пренебрежимо малом действии других сил жидкость под действием сил поверхностного натяжения принимают форму шара.

Силой поверхностного натяжения называют силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить ее до минимума.

При измерении силы поверхностного натяжения следует учитывать, что пленка жидкости имеет две поверхности, и сила упругости (она равна весу соли, которая используется для достижения отрыва проволочного кольца от воды) равна удвоенному значению силы поверхностного натяжения

= 2 , где =

Поверхностное натяжение жидкости зависит:

1) от природы жидкости, т. е. от сил притяжения между молекулами данной жидкости; 2) от температуры (с увеличением температуры поверхностное натяжение уменьшается)

Проявление силы поверхностного натяжения в природе и быту:

1. Л егкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить!

Клоп-водомерка умело использует силу поверхностного натяжения, удерживающую его на поверхности воды. Он не тонет, поскольку вес клопа меньше силы поверхностного натяжения.

2. К апля принимает форму с наименьшей поверхностью - шар. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку.

3. Монета, лежащая на поверхности воды, не тонет благодаря силе поверхностного натяжения

В данной работе

проводится исследование зависимости силы поверхностного натяжения от формы проволочной фигуры, от длины проволоки, от вида жидкости (чистая вода, соленая вода).

Предмет исследования: передвижение пауков по воде

Гипотеза: пауки могут передвигаться по воде из-за небольшого веса, множества лапок и их особенной формы и размера

Цель:выяснить, как и какие пауки могут передвигаться по воде

Задачи: 1) узнать, почему возникает поверхностное

натяжение;

2) выяснить, от чего зависит сила поверхностного

натяжения;

3) определить, кто может ходить по воде

4) как влияет невесомость на поверхностное натяжение

Оборудование для эксперимента по измерению силы поверхностного натяжения

Штатив, муфта, лапка, весы, разновесы, медная проволока, сосуд с водой, соль, нитки

Основные этапы эксперимента

За лапки пауков возьмём проволоку разной формы: окружность, треугольник, квадрат и прямоугольник;

изготовим их из медной проволоки одинаковой длины;

1. Подвесим кольцо из проволоки к чаше весов

2. Уравновесим весы

так, чтобы кольцо из

проволоки касалось

поверхности воды

3 . В чашу с бумажками насыпаем соль до тех пор, пока кольцо из проволоки не оторвётся от воды.

4. Затем уравновешиваем весы с помощью гирек, находим массу соли

Вес соли, найденный при проведении опыта, равен удвоенной силе поверхностного натяжения, так как пленка жидкости имеет две поверхности

Fпов. натяж. = 0,5* Pсоли,

где P=m*g

m – масса соли (кг), g – ускорение свободного падения на Земле (9,8 Н/кг)

5. Повторяем эксперимент со всеми фигурами, сделанными из проволоки. Результаты измерений занесём в таблицу

Вывод: сила поверхностного натяжения зависит

от формы тела (лапок пауков)

Удалось выяснить, что сила поверхностного натяжения зависит от формы лапок пауков. Но ведь паучки бывают как большими, так и маленькими, а это значит, что и лапки у них разной величины.

Будет ли зависеть сила поверхностного натяжения от размера лап?

Проведём второй эксперимент

Возьмём 2 кусочка проволоки разной длины

Сделаем из них 2 окружности разного размера

Поочередно привяжем кольца разного диаметра к чаше весов и с помощью соли, насыпанной на другую чашу, добьемся того, что кольцо оторвется от воды. Измерим массу соли и вычислим ее вес, таким образом, узнав силу поверхностного натяжения.

Вес соли, найденный при проведении опыта, равен удвоенной силе поверхностного натяжения, действующей на окружность из проволоки.

Результаты эксперимента занесём в таблицу

№ опыта	Длина, м	Масса соли, г	Fпов. натяж, Н
1.	0,068	1,150	0,0115*0,5
2.	0,081	1,200	0,0120*0,5

Вывод: размер тела (лапок паука) влияет на силу поверхностного натяжения.

Теперь нам известно, что форма и размер лапок пауков влияют на силу поверхностного натяжения. Но влияет ли вода и примеси в ней на то, смогут ли пауки передвигаться по ее поверхности?

Проведём третий опыт, где возьмём проволоку одинаковой формы и размера, но воду будем брать как пресную, так и солёную.

Э ксперимент проводится с кольцом, которое сначала я опустила в пресную воду, а затем в соленую

Для изготовления морской воды в домашних условиях в одном литре нужно было растворить 35 г соли.

Результаты опыта запишем в таблицу

Вывод: сила поверхностного натяжения, действующая в солёной воде, больше, чем в пресной. Значит по поверхности соленой воды паучкам ходить легче

Заключительное исследование по передвижению паука по поверхности падающей капли я провела визуально и без решения расчётной задачи, т.к. не имела возможности измерения силы поверхностного натяжения в данном случае.

В момент совместного падения капли и паука они движутся относительно Земли с ускорением свободного падения и не движутся относительно друг друга. Таким образом, паук не дави на каплю и движется только за счёт того, что цепляется за поверхностную плёнку.

Проявление сил поверхностного натяжения в космосе

Полет космического корабля – это тоже постоянное падение под действием силы тяжести. При этом тела не действуют ни на какую опору, то есть не имеют веса.

Е сли говорить о пролитой жидкости, то в условиях невесомости она будет иметь строго сферическую форму под действием сил поверхностного натяжения.

Смоделируем ситуацию в земных условиях: прильём аккуратно спирт с помощью шприца в стакан с водой так, чтобы жидкости не перемешались. Затем в спирт вольём чайную ложку растительного масла. Масло собралось в шарики. Они как бы парят на границе раздела масла и воды.

А как ведет себя капля жидкости на твердой поверхности?

В земных условиях если капля растекается по твердой поверхности и образует краевой угол, который меньше 90 градусов, то говорят, что жидкость хорошо смачивает поверхность. Если этот угол больше 90 градусов, то капля стягивается в шарик и не смачивает поверхность.

Вода хорошо смачивает поверхность стекла. Это происходит потому, что силы притяжения между молекулами воды оказываются меньше, чем силы притяжения между молекулами воды и стекла.

В невесомости водяной шарик целиком не растекается по стеклу, так как силы поверхностного натяжения сохраняют форму капли, не дают ей стекать по стеклянной поверхности. Из-за того, что вода на растекается, космонавты могут мыть голову, не снимая одежды, но при этом им приходится втирать воду и шампунь в волосы. А «смывают» их полотенцем, тщательно вытирая голову.

Как пить в космосе?

О собый интерес привлекает к себе «Космическая чашка», изобретенная Вайслогелем и проверенная астронавтом Доналдом Петтит. Чашка работает на основе капиллярных явлений: вместо керамического цилиндра она представляет собой пластиковый лист, сложенный так, что концы его сходятся под острым углом. Это создает линию, где напиток удерживается и вдоль которой двигается прямо в рот. Как показывает практика, если угол меньше некоторого значения, которое зависит от жидкости и материала чашки, то в результате смачивания жидкость сама «поползет» по желобу вверх к человеку.

Е сть метод российского космонавта А. Сереброва: внутрь сосуда он поместил длинный узкий предмет (ручку ложки), к которому капли прилипают за счет сил поверхностного натяжения. Жидкость «расползается» по ручке и подходит к краю горловины сосуда и ее можно пить.

Чтобы достать воду из бутылки, бутылку нужно либо встряхивать, либо раскрутить так, чтобы вода прижалась к ее стенкам, либо использовать шприц. Еще используют вакуумные упаковки, при надавливании жидкость выливается.

А как проявляется поверхностное натяжение при работе космической техники? Рассмотрим этот вопрос на примере жидкостного реактивного двигателя.

В невесомости отсутствуют силы давления внутри жидкости, зависящие от глубины погружения, таким образом, не выполняется закон сообщающихся сосудов, то есть уровень жидкости в них разный. Вода не будет выливаться из носика чайника, из бутылки и т.д. Что же делать? Жидкость из сосудов нужно либо выдавливать, либо выталкивать при помощи поршня.

Н а орбите в условиях невесомости жидкое топливо образует большую сферическую «каплю» в центре бака и не касается стенок бака. Если в этом положении в баке создать давление газов, то газы не будут вытеснять топливо из бака, а сами устремятся по трубопроводу в двигатель. Чтобы подавать топливо в двигатель бак делится на две части эластичной перегородкой. С одной стороны перегородки помещают жидкое топливо, с другой подают газ под давлением. Давление газа через перегородку выдавливает жидкое топливо из бака в двигатель, где топливо сгорает и создает реактивную тягу. По мере расходования топлива газ занимает весь объем бака.

Таким образом, в условиях невесомости свойства жидкости меняются, что дает новые возможности в технологических процессах.

Заключение

Сила поверхностного натяжения встречается нам довольно часто, но мы не всегда обращаем на неё внимание. Некоторые существа, как пауки, пользуются этим физическим явлением каждый день, передвижение по воде — это часть их жизни. Следовательно, моя гипотеза подтвердилась.

Благодаря проведённым экспериментам мне стало известно, что форма и размер лапок пауков, а также процент солёности воды влияют на силу поверхностного натяжения, действующую на ножки паучков. Именно поэтому не все пауки могут передвигаться по водной глади на такие большие расстояния, как, например, с материка на материк.

А еще я выяснила, что жидкости в невесомости ведут себя не так, как на Земле. На Земле поведение жидкости в большей степени определяется действием силы тяжести. В космосе жидкостями управляет сила поверхностного натяжения. Она выходят на первый план и имеет решающее значение в быту космонавтов, во многих технологических процессах и работе космической техники.

Начиная изучать эту тему, я не ожидала, что с головой окунусь во многие подробности проявления сил поверхностного натяжения как на Земле, так и в космосе! Это оказалось увлекательным занятием! Чем больше узнаешь, тем больше вопросов возникает! Не менее интересная тема касается выращивания кристаллов в космосе, что я и буду изучать в дальнейшем. Поэтому продолжение следует…

Список источников и литературы:

• Пособие по биологии для поступающих в вузы/Н. А. Лемеза, М. С. Морозик, Е. И. Морозов и др.; 1993

• https://robogeek.ru/nauchnye-razrabotki-programmnoe-obespechenie/robot-pokazyvaet-kak-vodomerki-prygayut-po-vode

• Большая школьная энциклопедия в вопросах и ответах/Перевод с немецкого: Валерий Брун-Цеховой, Ирина Гилярова, Семён Карасик, Ольга Кузьминская, Анастасия Лавринович, Ольга Чибисова/2013

• Журнал BCM Evolutionary Biology, 2018

• Физика: Учеб. Для 10 кл. шк.и кл. с углубл. изучением физики / О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Э.Е. Эвенчик и др.; Под ред. А.А. Пинского- 7-е изд.-М.:Просвещение, 2002

• Кабардин О.Ф. Физика: Справ. Материалы: Учеб. Пособие для учащихся.-3-е изд.,-М.: Просвещение, 1991

• https://ru.wikipedia.org/wiki/Поверхностное_натяжение

• http://ru.solverbook.com/spravochnik/molekulyarnaya-fizika-i-termodinamika/poverxnostnoe-natyazhenie/

• https://ru.wikipedia.org/wiki/Пауки

• http://cyclowiki.org/wiki/Пауки

• http://900igr.net/prezentacija/biologija/mnogoobrazie-paukoobraznykh-54742/stroenie-tela-paukov-12.html

• Книга Пауки средней полосы России. Атлас - определитель с обзором биологии - Сейфулина, Карцев

• https://revolution.allbest.ru/physics/00639248_0.html

• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B2%D0%B5%D1%81%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C

• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D1%85%D0%B0%D1%8F_%D0%B8%D0%BC%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%B8%D1%8F