Роль поверхностного натяжения в природе и жизни человека

XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Роль поверхностного натяжения в природе и жизни человека

Чекаев И.Н. 1
1МБОУ Баганская СОШ №1,
Савва Е.Д. 1Колодько Ю.В. 1
1МБОУ Баганская СОШ №1,
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

С древнейших времен люди искали причины различных явлений природы. Эти поиски приводили к открытиям различных естественнонаучных законов. Знания по естественным наукам необходимы людям не только для объяснения явлений природы, но и для использования в практической деятельности. Проявляя интерес к физике, я может быть не стану физиком - теоретиком, а буду инженером, техником. Успех моей деятельности будет обеспечиваться не только умением мыслить, но и умением обобщать, и выбранная мною тема очень актуальна для изучения. В окружающем нас мире наряду с тяготением и трением действует ещё одна сила, на которую мы мало обращаем внимания. Эта сила сравнительно невелика и никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью, без того, чтобы не привести в действие эту силу - силу поверхностного натяжения. Она играет большую роль в природе и технике, в физиологии нашего организма и жизни насекомых.

Гипотеза: поверхностное натяжение играет важную роль в природных процессах и имеет широкое практическое применение в жизни человека.

Предмет исследования:

Поверхностное натяжение.

Методы исследования:

  1. теоретический анализ научной литературы;

  2. наблюдение;

  3. эксперимент;

  4. анализ и обобщение полученных данных.

Цель: 

Изучить явление поверхностного натяжения, его природу и роль в природных процессах и человеческой деятельности.

Задачи данной работы:

  1. Дать определение поверхностному натяжению и объяснить его физическую природу.

  2. Рассмотреть проявления поверхностного натяжения в природе.

  3. Изучить влияние поверхностного натяжения на жизнедеятельность организмов.

  4. Проанализировать практическое применение этого явления в различных сферах человеческой деятельности.

  5. Провести опыты, демонстрирующие существование поверхностного натяжения.

  6. Сделать выводы о значимости данного явления.

1. Физика поверхностного натяжения

1.1. Особенности взаимодействия молекул поверхностного слоя жидкости

Понятие поверхностного натяжения жидкости до некоторого времени оставалось в тени крупных достижений в областях молекулярной физики и физической химии. Классики физики «крупными мазками» создали молекулярную физику, статическую физику, физическую химию. При этом всегда упоминалось понятие поверхностного натяжения жидкости и связь его с поверхностью жидкости Так Я. Френкель еще в начале 20 века предполагал наличие определенной связи коэффициента поверхностного натяжения с другими физическими величинами.

Но теоретической расчетной формулы для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости до недавнего времени не было. Единственное, в чем были единодушно и согласны все авторы, так это в том, что поверхностный слой молекул жидкости имеет другую энергию, чем молекулы жидкости внутри. Таким образом, все поверхностные энергии привязывались к поверхности и рассчитывались пропорционально поверхности.

Поверхностный слой жидкости обладает особыми свойствами. Молекулы жидкости в этом слое находятся в непосредственной близости от другой фазы – газа. Молекула, расположенная вблизи границы раздела жидкость – газ, имеет ближайших соседей только с одной стороны, поэтому сложение всех сил, действующих на эту молекулу, дает равнодействующую, направленную внутрь жидкости. Следовательно, любая молекула жидкости, находящаяся вблизи свободной поверхности, имеет избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами, находящимися внутри.

Для того чтобы перевести молекулу из объема жидкости на поверхность, необходимо совершить работу. При увеличении поверхности определенного объема жидкости внутренняя энергия жидкости увеличивается. Эта составляющая внутренней энергии пропорциональна площади поверхности жидкости и называется поверхностной энергией.

Величина энергии зависит от сил молекулярного взаимодействия и поверхностной и количества ближайших соседних молекул.

Для различных веществ поверхностная энергия принимает разные значения. Энергия поверхностного слоя жидкости пропорциональна его площади Ѕ: Е= σ ·Ѕ. Где σ – коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением, имеющий размерность Дж/м2 (или Н/м). S- площадь поверхности.

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. 

1.2 Методы измерения поверхностного натяжения жидкости.

Методов определения поверхностного натяжения существует достаточно много: метод капель, метод проволочной рамки, метод кольца, метод капиллярных волн, метод капли и пузырька и др. Метод проволочной рамки и метод кольца применяются для грубых измерений поверхностного натяжения.

Метод пузырька

«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики», – писал великий английский физик лорд Кельвин.

В частности, мыльная пленка является прекрасным объектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практически роли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенно ничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях. Почему пленка обязательно мыльная? Все дело в структуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активными веществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: один конец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтому мыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор как бы «армирован» частоколом упорядоченно расположенных молекул поверхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.

Свободная поверхность жидкости стремится сократиться. Это можно наблюдать в случае, когда жидкость имеет форму тонкой пленки (Приложение №1).

Метод проволочной рамки

Возьмите проволочный четырехугольный каркас и соедините его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустив каркас в мыльную воду, вы заметите, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, вы увидите, что нить примет форму дуги. Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается.

Свойство поверхности жидкости сокращается можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.

С помощью описанного ниже опыта можно найти способ измерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную воду проволочный каркас, вынув его из воды, легко заметить, что верхняя часть каркаса (до упора) затянута мыльной пленкой. Если потянуть за подвижную сторону этой рамки вниз, то пленка растянется, а если подвижную сторону отпустить, то пленка сократится.

Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности (Приложение №2)

Метод капли

Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у плохо закрытого или неисправного крана. Пока капля мала, она не отрывается: ее удерживают силы поверхностного натяжения (поверхностный слой выполняет роль своеобразного мешочка). Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, и капля отрывается.

Отрыв капли происходит в тот момент, когда ее вес становится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль окружности шейки капли. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превысит его прочность.

В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведет себя как растянутая эластичная пленка (Приложение №3).

Опыт «Пробирка»

Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. Возьмем пробирку, наполненную водой. Перевернем на книгу или открытку и будем постепенно вытаскивать открытку. Ни одна капля не пролилась, зато поверхность воды вздулась, образовав «горку».

Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости (Приложение №4).

Опыт «Плато»

Если взять смесь воды и спирта и поместить в нее каплю жидкого масла, то в какой-то момент сила тяжести уравновесится силой Архимеда и образовавшийся масляный шар, свободно покоящийся в смеси. Этот шар от разлета по молекулам удерживает сила поверхностного натяжения. Устранить действие силы тяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался в середине прошлого века бельгийский ученый Ж. Плато, свой метод Плато применил для исследования различных явлений (Приложение №5).

1.3 Проявления поверхностного натяжения в природе

В природе поверхностное натяжение проявляется в следующих явлениях:

  • Форма капель. Капли дождя, росы и других жидкостей принимают почти сферическую форму, так как сфера имеет наименьшую площадь поверхности при заданном объёме.

  • Капиллярные явления. Подъём воды в почве, стволах растений и других пористых материалах происходит благодаря сочетанию поверхностного натяжения и капиллярного эффекта.

  • Образование мыльных пузырей. Тонкая плёнка мыльного раствора образует пузырь сферической формы из‑за стремления минимизировать площадь поверхности.

  • Плёнка на поверхности воды. На поверхности водоёмов образуется тонкая упругая плёнка, которая может выдерживать небольшие нагрузки.

1.4 Роль в живой природе

Поверхностное натяжение имеет важное значение для жизнедеятельности многих организмов:

  • Водомерки. Эти насекомые могут скользить по поверхности воды, так как их лапки покрыты водоотталкивающим налётом, а вес распределён таким образом, что поверхностная плёнка не разрывается.

  • Муравьи и другие насекомые. При попытке напиться из капли росы насекомое сталкивается с тем, что капля «сминается», но не даёт проникнуть внутрь из‑за силы поверхностного натяжения.

  • Растения. По капиллярам в стеблях и листьях вода поднимается от корней к верхушке растения благодаря сочетанию поверхностного натяжения и адгезии.

  • Дыхательная система человека. В лёгких поверхностно‑активные вещества (сурфактанты) уменьшают поверхностное натяжение альвеол, предотвращая их слипание.

1.5 Применение в жизни человека

Поверхностное натяжение используется в различных сферах:

  • Промышленность. При отливке сферических форм (например, ружейной дроби) капли расплавленного металла застывают в форме шариков благодаря поверхностному натяжению.

  • Медицина. Поверхностно‑активные вещества используются в лекарствах, ингаляторах и системах доставки лекарств.

  • Бытовая химия. Моющие средства содержат ПАВ (поверхностно‑активные вещества), которые уменьшают поверхностное натяжение воды, позволяя ей лучше проникать в загрязнения.

  • Технологии печати. В струйных принтерах чернила подаются через микроскопические сопла, и поверхностное натяжение помогает формировать капли нужного размера.

  • Строительство. Гидроизоляционные материалы учитывают капиллярные явления и поверхностное натяжение для предотвращения подъёма влаги по стенам.

  • Сельское хозяйство. Регулирование водного режима почвы с помощью прикатывания и боронования основано на управлении капиллярным подъёмом воды.

2. Практическая часть

Опыт 1. «Мыльные пузыри»

Цель: продемонстрировать сферическую форму мыльной плёнки, обусловленную поверхностным натяжением.

Оборудование: мыльный раствор, проволочный каркас.

Ход опыта:

  1. Окунуть проволочный каркас в мыльный раствор (Приложение №6).

  2. Наблюдать образование мыльной плёнки.

  3. Проколоть часть плёнки — заметить, как оставшаяся часть сокращается (Приложение №7).

Результат: плёнка принимает форму, минимизирующую площадь поверхности, что подтверждает действие сил поверхностного натяжения.

Опыт 2. «Прокалывание пузыря»

Цель: показать влияние ПАВ на поверхностное натяжение.

Оборудование: мыльные пузыри, две палочки (одна смочена мыльным раствором, другая — сухая).

Ход опыта:

  1. Проколоть пузырь смоченной палочкой — пузырь не лопается (Приложение №8).

  2. Проколоть пузырь сухой палочкой — пузырь лопается (Приложение №9.

Результат: смачивание сохраняет взаимное притяжение молекул, предотвращая разрыв плёнки.

 

Выводы

  1. Поверхностное натяжение -фундаментальное физическое явление, имеющее большое значение в природе.

  2. Оно играет ключевую роль в жизнедеятельности многих организмов.

  3. Человек научился использовать это явление в различных технологиях и повседневной жизни.

  4. Изучение поверхностного натяжения помогает лучше понимать окружающий мир и совершенствовать технологии.

  5. В ходе исследования подтвердилась гипотеза о важной роли поверхностного натяжения в природе и жизни человека. Были изучены:

  • физическая природа явления;

  • его проявления в природных процессах;

  • влияние на жизнедеятельность организмов;

  • практическое применение в различных сферах.

  1. Проведённые опыты наглядно продемонстрировали существование поверхностного натяжения и его свойства.

Заключение

Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна.

Понимание механизмов поверхностного натяжения позволяет не только объяснять повседневные явления, но и целенаправленно управлять свойствами жидкостей в науке и технике. Изучение этого явления остаётся актуальным для развития нанотехнологий, материаловедения и биомедицинских исследований.

В перспективе рассказать о силе поверхностного натяжения одноклассникам на уроке физике.

Список используемой литературы

  1. Асламазов Л. Г., Варламов А. А. Удивительная физика. — М.: Добросвет, 2002.

  2. Касьянов В. А. Физика. 10 кл. — М.: Дрофа, 2003.

  3. Блудов М. И. Беседы по физике. Часть 1. — Просвещение, 1964.

  4. Калашников В., Лаврова С. Чудеса природы. — Белый город, 2008.

  5. Википедия: статья «Поверхностное натяжение».

Приложения

Приложение №1

Приложение №2

Приложение №3

Приложение №4

Приложение №5

Приложение №6

Приложение №7

Приложение №8

Приложение №9

Просмотров работы: 7