Курчатовские чтения 2019г.

Тема: Капиллярные явления в природе, быту и  технике, живых организмах.

Цель проекта:

 Узнать о значении капиллярности в природе, технике и быту, в жизни живых организмов.

Объект исследования:

 Свойство жидкостей, всасываясь, подниматься или опускаться по капиллярам.

Предмет исследования:

 Капиллярные явления в живой и неживой природе.

Задачи:

1.Изучить теоретический материал о капиллярном явлении.

2. Провести серию экспериментов с целью выяснения причины поднятия жидкости в капиллярах.

 3.. Обобщить изученный в ходе работы материал и сформулировать вывод.

Введение

При рассмотрении роли, которую играет в жизни людей физика, прежде всего, бросается в глаза такое ее свойство, как полезность. Польза физики заключается в том, что её достижения значительно облегчают жизнь и труд людей. Однако люди занимаются физикой не только потому, что она полезна. Физика ещё и красива. Одно из проявлений красоты физики в том, что даже в тех явлениях, к которым мы привыкли настолько, что не обращаем на них внимания, можно обнаружить интереснейшие физические процессы. Иногда внимательное рассмотрение привычных обыденных явлений открывает в них совершенно неожиданные стороны. Примерам таких «физических неожиданностей» и посвящена моя работа.   Среди процессов, которые можно объяснить с помощью поверхностного натяжения и смачивания жидкостей, стоит особо выделить капиллярные явления. Физика – это загадочная и необыкновенная наука, без которой жизнь на Земле была бы невозможна. Давайте рассмотрим наиболее яркий пример этой важной дисциплины. В жизненной практике такие интересные с точки зрения физики процессы, как капиллярные явления, встречаются весьма часто. Все дело в том, что в повседневной жизни нас окружает много тел, которые легко впитывают в себя жидкость. Причина этому – их пористая структура и элементарные законы физики, а результат – капиллярные явления. Капилляр – это очень узкая  необыкновенная трубка, в которой жидкость ведет себя особым образом.

Все знают, что даже маленькая капля воды растекается по чистой поверхности стеклянной пластинки. В то же время капля воды на парафинированной пластинке, как и на поверхности листьев некоторых растений, не растекается, а имеет почти правильную форму шара. Жидкость, которая растекается тонкой плёнкой по твёрдому телу, называют смачивающей данное твёрдое тело. Жидкость, которая не растекается, а стягивается в каплю, называют несмачивающей это тело.   Чем же объяснить явления смачиваемости и несмачиваемости?

В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево и т.д.). Приходя в соприкосновение с жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя. Подобные явления можно также наблюдать в очень узких трубочках, которые называются капиллярами (от лат. capillus – волосок). Происходящее носит название явления капиллярности.

Проблема:Что это за явление? Где мы в своей жизни встречаемся с данным явлением? От чего зависит различнаясмачиваемость жидкости?

Цель моего проекта:

 Узнать о значении капиллярности в природе, технике и быту, в жизни живых организмов.

Объект исследования:

Законы и явления физики в изучении теории капиллярных явлений

Предмет исследования:

 Капиллярные явления в живой и неживой природе.

Задачи:

1.Изучить теоретический материало капиллярном явлении.

2. Провести серию экспериментов с целью выяснения причины поднятия жидкости в капиллярах.

 3.. Обобщить изученный в ходе работы материал и сформулировать вывод.

Актуальность темы исследования обусловлена:  продвижением знаний по вопросам теории капиллярных явлений,  в постановке проблемы исследования,  с привлечением внимания общества к вопросам использования привычных нам вещей в нашей жизни.

.

Методы исследования: - теоретический (анализ источников информации); - практический (наблюдение и изучение явления, описывающего результат исследования); - экспериментальный (выполнение измерения, представление результатов измерения в виде таблицы, диаграммы).

                             1.Капиллярные явления в природе

        Стволы деревьев и ветви растений пронизаны огромным числом капиллярных трубочек, по которым питательные вещества поднимаются до самых верхних листочков. Корневая система оканчивается тончайшими нитями-капиллярами.

        Высота подъема жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр; отсюда ясно, что для сохранения влаги надо почву перекапывать, а для осушения утрамбовывать.

        С древних времен люди наиболее тщательно изучали самый верхний слой почвы- пахотный, где находятся корни растений.

        Хорошо известно, как быстро впитывается вода в пляжный песок. Впитывается и тут же, как сквозь сито, просачивается вглубь. А вот глина почти не пропускает воду. Недаром из неё делают посуду, причем в глубокой древности,  вылепленные из глины сосуды и котлы даже не обжигали на огне.

        Практически ни одна почва не состоит целиком из песка или целиком из глины. В каждой из почв они присутствуют вместе, но в разных соотношениях, например 35 % песка и 65 % глины. По этим соотношениям судят о механическом составе почвы. Механический состав и капиллярность почвы сильно влияют на ее плодородие. Чем больше в почве глины, тем сильнее удерживается драгоценная влага, но хуже поступает воздух.Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с питанием и дыханием организма. Кровеносные сосуды – это капилляры, по которым течет кровь. Причем, чем дальше от сердца идут сосуды, тем тоньше они становятся.

1.1Кровеносные сосуды

Все тело животного пронизывают кровеносные сосуды. По строению они неодинаковы. Артерии –это сосуды, по которым движется кровь от сердца. Они имеют плотные упругие эластичные стенки, в состав которых входят гладкие мышцы. Сокращаясь, сердце выбрасывает в артерии кровь под большим давлением. Благодаря плотности и упругости стенки артерии выдерживают это давление и растягиваются.

Продукты жизнедеятельности клеток проникают сквозь стенки капилляров из тканевой жидкости в кровь. В организме человека примерно 50 млрд капилляров. Если все капилляры вытянуть в одну линию, то ею можно опоясать земной шар по экватору два с половиной раза.

Капиллярное кровообращение это движение крови в мельчайших сосудах – капиллярах, обеспечивающее обмен веществ между кровью и тканями. Капиллярное кровообращение осуществляется вследствие разности гидростатичных давлений в артериальном и венозном концах капилляра. Давление в артериальном конце равно 30-35 мм. ртутного столба, что на 8-10 мм. превышает онкотическое давление плазмы крови. Под влиянием этой разности давлений вода и многие растворенные в ней вещества ( кроме высокомолекулярных белков) переходят из плазмы крови в тканевую жидкость, приносят к тканям необходимые для жизнедеятельности вещества. По мере продвижения крови по капилляру гидростатичность давления падает и в венозном конце капилляра равна 12-17 мм. ртутного столба, что примерно на 10 мм. ниже онкотического давления крови. Вследствие этого вода и растворенные в ней вещества переходят из тканевой жидкости в плазму. Тем самым обеспечивается удаление продуктов обмена из тканей. Величина капиллярного кровообращения пропорциональна интенсивности обмена веществ. Так, в состоянии покоя, на 1 мм. поперечного сечения скелетной мышцы приходится 30-50 функционирующих капилляров; при интенсивной деятельности мышцы их количество возрастает в 50-100 раз.

Капилля́рность  — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте. Капиллярами называются тонкие трубки, а также самые тонкие сосуды в организме человека и других животных

Первооткрыватели капилляров В 1661 году, итальянский медик Марчелло Мальпиги открыл— мельчайшие сосудики, капилляры, соединяющие артерии и вены у животных и человека.

При определенных обстоятельствах вода способна самопроизвольно подниматься вверх. Если поместить достаточно тонкую трубку (например, соломинку) в сосуд с водой, уровень воды в трубке поднимается выше уровня воды в сосуде. Разница между уровнями воды в сосуде и в трубке будет тем больше, чем меньше внутренний диаметр трубки. Способность воды подниматься в трубке с достаточно узким каналом – один из примеров, так называемых капиллярных явлений, благодаря которым растения способны доставлять воду из почвы к ветвям и листьям. Эти же явления помогают крови циркулировать в человеческом теле, особенно в капиллярах – мельчайших кровеносных и лимфатических сосудах. Кроме того, это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по капиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питательные вещества на большую высоту — от глубоко скрытых в земле корней к листьям и плодам.  

Действие поверхностного натяжения и эффектов смачивания проявляется в капиллярных явлениях – движении жидкости по тонким трубкам. Капиллярные явления – это явления подъёма или опускания жидкости в капиллярах, заключающиеся в способности жидкостей изменять уровень в трубках малого диаметра, узких каналах произвольной формы и пористых телах.

                                       1.2.Капилляры

Обратите внимание на то, как распределяется жидкость в сосудах различной толщины: в тонких сосудах жидкость поднимается выше. Заметим, что смачивающая жидкость будет подниматься по капилляру, а несмачивающая – опускаться.   Известно, что в случаях полного смачивания или несмачивания мениск - искривлённая поверхность жидкости – в узких трубках представляет собой полусферу, диаметр которой равен диаметру канала трубки. Вдоль границы поверхности жидкости, имеющей форму окружности, на жидкость со стороны стенок трубки действует сила поверхностного натяжения, направленная вверх, в случае смачивающей жидкости, и вниз, в случае несмачивающей. Эта сила заставляет жидкость подниматься (или опускаться) в узкой трубке.

Рисунок

Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках

Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами: сила тяжести Fт заставляет жидкость опускаться вниз; сила поверхностного натяжения Fн двигает воду вверх. Субстанция прекратит подниматься при условии, что Fт = Fн. Подъем/опускание жидкости по капилляру остановится тогда, когда сила поверхностного натяжения уравновесится силой тяжести, действующей на столб поднятой жидкости.   Высота, на которую поднимется смачивающая жидкость в капиллярной трубке, преодолевая силу тяжести, рассчитывается по формуле:

где– коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; – плотность жидкости, кг/м3; – ускорение свободного падения, 9,8 м/с2; – высота столбика поднятой жидкости, м; – радиус капилляра, м;d– диаметр капилляра, м.

Формула для высоты, на которую опустится несмачивающая жидкость капилляр, будет такой же. Жидкости, смачивающие материал, из которого сделан капилляр, будут в нем подниматься (вода / стекло). И наоборот: жидкости, не смачивающие капилляр, будут в нем опускаться (стекло / ртуть). Кроме того, высота подъема или опускания жидкости зависит от толщины трубки: чем тоньше капилляр, тем больше высота поднятия или опускания жидкости. На высоту влияют также плотность жидкости и её коэффициент поверхностного натяжения. Важно, что если капилляр наклонён к поверхности жидкости, то высота поднятия жидкости от величины угла наклона не зависит. Как бы не располагались капилляры в структуре (строго вертикально, под углом к вертикали или с разветвлениями), высота поднятия жидкости будет зависеть только от  d).

1.3.Роль капиллярных явлений в природе, быту и технике

Явление капиллярности играет огромную роль в самых разнообразных процессах, окружающих нас. Самый распространенный пример капиллярного явления – это принцип работы обыкновенного полотенца или бумажной салфетки. Вода с рук уходит на полотенце или бумажную салфетку за счет подъема жидкости по тонким волокнам, из которых они состоят. Без капиллярных явлений существование живых организмов просто невозможно. Подъём питательного вещества по стеблю или стволу растения обусловлен явлением капиллярности: питательный раствор поднимается по тонким капиллярным трубкам, образованными стенками растительных клеток.

Следует учитывать и капиллярность почвы, ведь она также пронизана множеством мелких каналов, по которым вода поднимается из глубинных слоёв почвы в поверхностные. Пчёлы, бабочки извлекают нектар из глубин цветка посредством очень тонкой капиллярной трубки, находящейся внутри пчелиного хоботка.

Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с питанием и дыханием организма. Кровеносные сосуды – это капилляры, по которым течет кровь. Причем, чем дальше от сердца идут сосуды, тем тоньше они становятся.

Строителям приходится учитывать подъем влаги из почвы по порам строительных материалов. Если этого не учесть, то стены зданий отсыреют. Для защиты фундамента и стен от таких вод используют гидроизоляцию. По капиллярам фитиля поднимаются горючие и смазочные вещества. Топливо поступает по фитилю за счет движения по волокнам фитиля, как по капиллярным трубкам. Промокание одежды во время дождя, к примеру, брюк до самых колен от ходьбы по лужам также обязано капиллярным явлениям. Вокруг нас множество примеров этого природного феномена.

Капиллярные явления – это физические явления, обусловленные поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся сред. К таким явлениям относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром.

Капиллярные явления охватывают различные случаи равновесия и движения поверхности жидкости под действием сил межмолекулярного взаимодействия и внешних сил (в первую очередь, силы тяжести). В простейшем случае, когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. Так в условиях невесомости ограниченный объём жидкости, не соприкасающейся с другими телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объёме и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна. Форму шара жидкость принимает и в том случае, если она находится в другой, равной по плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой).

Свойства систем, состоящих из многих мелких капель или пузырьков (эмульсии, жидкие аэрозоли, пены), и условия их образования во многом определяются кривизной поверхности частиц, то есть капиллярными явлениями. Не меньшую роль капиллярные явления играют и при образовании новой фазы: капелек жидкости при конденсации паров, пузырьков пара при кипении жидкостей, зародышей твердой фазы при кристаллизации.

При контакте жидкости с твердыми телами на форму её поверхности существенно влияют явления смачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости и твердого тела.

Капиллярное впитывание играет существенную роль в водоснабжении растений, передвижении влаги в почвах и других пористых телах. Капиллярная пропитка различных материалов широко применяется в процессах химической технологии.

Искривление свободной поверхности жидкости под действием внешних сил обусловливает существование так называемых капиллярных волн («ряби» на поверхности жидкости). Капиллярные явления при движении жидких поверхностей раздела рассматривает физико-химическая гидродинамика.

Капиллярные явления впервые были открыты и исследованы Леонардо да Винчи, Б.Паскалем (17 в.) и Дж. Жюреном (Джурин, 18 в.) в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений развита в работах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (Янг, 1805), Дж. У. Гиббса (1875) и И.С. Громеки (1879, 1886).

1.4.Применение и проявление капиллярности в быту, в природе и технике.

В быту используется медицинский термометр.

Кирпичные дома в своей нижней части должны быть изолированы от влаги, т. к. кирпичи - пористые тела и хорошо впитывают влагу, а это может привести к ухудшению теплоизоляционных свойствкладки и разрушению.

В природе благодаря многочисленным капиллярам в почве вода поднимается к поверхности и интенсивно испаряется. Это ведёт к потере влаги, необходимой растениям, а чтобы влага не испарялась, землю надо чаще рыхлить, то есть ломать капилляры.

В технике - капиллярные явления применяют как один из способов подвода смазки к деталям машины.

1.5.Пена на службе у человека

К самой идее флотации привела не теория, а внимательное наблюдение случайного факта. В конце XIX в. американская учительница Карри Эверсон, стирая замасленные мешки, в которых хранился медный колчедан, обратила внимание на то, что крупинки колчедана всплывают с мыльной пеной. Это и послужило толчком к развитию способа флотации. Этот способ широко используется в горно-металлургической промышленности для обогащения руд, т.е. для увеличения относительного содержания в них ценных составляющих. Сущность флотации состоит в следующем. Тонко измельчённая руда загружается в чан с водой и маслянистыми веществами, которые способны обволакивать частицы полезного минерала тончайшей плёнкой, не смачиваемой водой. Смесь энергично перемешивается с воздухом, так что образуется множество мельчайших пузырьков – пена. При этом частицы полезного минерала, облачённые в тонкую маслянистую плёнку, при соприкосновении с оболочкой воздушного пузырька пристают к ней, повисают на пузырьке и выносятся с ним наверх, как на воздушном шарике. Частицы же пустой породы, не обволакиваемые маслянистым веществом, не пристают к оболочке и остаются в жидкости. В итоге частицы полезного минерала почти все оказываются в пене на поверхности жидкости. Пену снимают и направляют на дальнейшую обработку – для получения так называемого концентрата.

Техника флотации позволяет при надлежащем подборе примешиваемых жидкостей отделить требуемый полезный минерал от пустой породы любого состава. 

2.1. Поверхностное натяжение

 Сам термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности. Так, молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул. Молекулы же поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды. Например, на поверхности раздела жидкость – воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха (Приложение 2). Это и является причиной различия свойств поверхностного слоя жидкости от свойств её внутренних объёмов. Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением . Коэффициент является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения - сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. При контакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии. К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Поверхностное натяжение различных жидкостей неодинаково, оно зависит от их мольного объёма, полярности молекул, способности молекул к образованию водородной связи между собой и др. При увеличении температуры поверхностное натяжение уменьшается, так как увеличиваются расстояния между молекулами жидкости. На поверхностное натяжение жидкости оказывают влияние и находящиеся в ней примеси. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ) – нефтепродукты, спирты, эфир, мыло и др. Некоторые вещества увеличивают поверхностное натяжение – примеси солей и сахара, благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой.

2.2. Явление смачиваемости и несмачиваемости

Такие явления как смачивание и несмачивание широко распространены в живой природе. Например, поверхностная пленка воды является для многих организмов опорой для движения. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду широко расставленными лапками; лапка, покрытая воскообразным налетом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней. Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной пленки воды с помощью особых не смачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приемом пользуются личинки комаров (в том числе и малярийных). Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желез, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключенный между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает ее от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает ее «запас плавучести», действуя подобно спасательному поясу. Воскообразный налет на листьях препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений; наличием того же воскового налета объясняется водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах.

Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твёрдого тела . Линия, ограничивающая поверхность капли на пластинке является границей поверхностей трёх тел: жидкости, твёрдого тела и газа. Поэтому в процессе установления равновесия капли жидкости на границе этих тел будут действовать три силы: сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом, сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твёрдым телом, сила поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с газом. Будет ли жидкость растекаться по поверхности твёрдого тела, вытесняя с него газ, или, наоборот, соберётся в каплю, зависит от соотношения величин этих сил. Всякая жидкость, освобождённая от действия силы тяжести, принимает свою естественную форму – шарообразную. Падая, капли дождя принимают форму шариков, дробинки – это застывшие капли расплавленного свинца. Необходимо отметить, что именно скорость изменения диаметра пятна, образованного каплей жидкости, нанесённой на чистую поверхность материала, используется в качестве основной характеристики смачивания в капиллярах. Её величина зависит как от поверхностных явлений, так и от вязкости жидкости, её плотности, летучести. Более вязкая жидкость с прочими одинаковыми свойствами дольше растекается по поверхности и медленнее протекает по капиллярному каналу.

2.3.Значение смачивания

Мы знаем, что мыть руки лучше тёплой водой и с мылом. У воды достаточно большой коэффициент поверхностного натяжения, значит, холодная вода будет плохо смачивать ладони. Для того чтобы уменьшить коэффициент поверхностного натяжения воды, мы увеличиваем температуру воды (с увеличением температуры воды коэффициент поверхностного натяжения уменьшается), и используем мыло, которое содержит поверхностно активные вещества, сильно уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения воды. Эффекты смачивания так же работают при склеивании деревянных, резиновых, бумажных и других поверхностей и основаны на взаимодействии между молекулами жидкости и молекулами твердого тела. Любой клей в первую очередь должен смачивать склеивающие поверхности. Пайка тоже связана со свойствами смачивания. Чтобы расплавленный припой (сплав олова и свинца) хорошо растекался по поверхности спаиваемых металлических предметов, нужно эти поверхности тщательно очищать от жира, пыли и оксидов. Примером применения смачивания в живой природе могут служить перья водоплавающих птиц. Эти перья всегда смазаны жировыми выделениями из желез, что приводит к тому, что перья этих птиц не смачиваются водой и не промокают.

3.3 Эксперимент.

Эксперимент

«Исследование капиллярных свойств различных образцов бумажных изделий»

Цель эксперимента: доказать, что высота поднятия жидкости в капиллярах зависит от диаметра капилляра.

 Оборудование и материалы: ёмкость с водой, термометр, линейка измерительная, карандаш, зажим. Набор бумажных образцов: платочек бумажный однослойный, салфетка бумажная, тетрадный лист, офисная бумага, пергаментная бумага, полотенце бумажное, акварельный лист.

 Ход работы: 1. Из набора бумажных изделий приготовил образцы для исследования. Для этого вырезал  полоски длиной 10 см и шириной 2 см и пронумеровал. На расстоянии 2 см от одного конца образца провел  линию. 2. Взял  ёмкость с водой и по очереди опускал  образцы в воду, так чтобы уровень воды совпадал с проведенной линией. 3. Как только прекратился подъём воды, образец вынул и измерил  высоту поднятия жидкости от прочерченной линии до сухого участка. Такой опыт я провелс каждым образцом (Приложение ). 4. Полученные данные анализа занес в таблицу (Приложение 1)

Вывод: смачивающие жидкости по капиллярам поднимаются, преодолевая силу тяжести, на высоту, зависящую от коэффициента поверхностного натяжения жидкости, плотности жидкости и диаметра капилляра. Чем меньше диаметр капилляра, тем выше поднимается жидкость по капилляру. Наилучшее качество впитывания у образца с меньшим диаметром капилляра. Наилучшее качество впитывания имеет платочек бумажный.

  В данном эксперименте я рассматриваю капиллярный эффект только образцов под номерами 1,2,6, продукция которых имеет повышенную впитывающую способность.

Диаграмма измерений

где– коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; – плотность жидкости, кг/м3; – ускорение свободного падения, 9,8 м/с2; – высота столбика поднятой жидкости, м; – радиус капилляра, м;d– диаметр капилляра, м.

Опыт Плато (1849г.)

Поводом, побудившим бельгийского профессора к опытам, был случай. Нечаянно он налил в смесь спирта и воды небольшое количество масла, и оно приняло форму шара. Размышляя над этим фактом, Плато наметил ряд опытов, которые впоследствии блестяще были выполненными его друзьями и учениками. В своем дневнике он написал для исследователей правило: «Вовремя удивляться». Я решил  исследовать опыт Плато, но в другом варианте: использовать в опыте подсолнечное масло и подкрашенную марганцовую воду.

Опыт, доказывающий, что однородная жидкость принимает форму с минимальной свободной поверхностью

Вариант опыта Плато №2

1) В мензурку налили подсолнечное масло.

2) Глазной пипеткой капнули в подсолнечное масло каплю подкрашенной марганцовой воды диаметром приблизительно 5мм.

3

Фото 2

) Наблюдали шарики воды разного размера, медленно падающие на дно и принимающие овальную приплюснутую форму (Фото 2).

5) Наблюдали, как капля принимает правильную форму шара (Фото 2).

Вывод: Жидкость, притягивая молекулы поверхностного слоя, сжимает саму себя. Овальная приплюснутая форма объясняется тем, что вес капли, которая не смешивается с маслом, больше выталкивающей силы. Правильная форма шара объясняется тем, что капля плавает внутри масла: вес капли уравновешивается выталкивающей силой.

При свободном падении, в состоянии невесомости капли дождя практически имеют форму шара. В космическом корабле шарообразную форму принимает и достаточно большая масса жидкости.

Опыты с уменьшением и    увеличением   поверхностного натяжения

Опыт №3

1. В широкий стеклянный сосуд налили воду.
2. На поверхность бросили кусочки пенопласта.
3. Прикоснулись к центру поверхности воды кусочком мыла.
4. Кусочки пенопласта начинают двигаться от центра к краям сосуда (Фото 3).
5. Капали в центр сосуда бензином, спиртом, моющим средством «Fairy».

Вывод: Поверхностное натяжение данных веществ меньше, чем у воды.

Эти вещества используются для удаления грязи, жирных пятен, сажи, т.е. не растворимых в воде веществ.Из-за достаточно высокого поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает очень хорошим чистящим действием. Например, вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу больше, чем к частицам нерастворимой грязи.Мыло и синтетические моющие средства (СМС) содержат вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды. Первое мыло, самое простое моющее средство, было получено на Ближнем Востоке более 5000 лет назад. Поначалу оно использовалось, главным образом, для стирки и обработки и    ран.И только в 1 веке н.э. человек стал мыться с мылом.

Моющими средствами называются натуральные и синтетические вещества с очищающим действием, в особенности мыло и стиральные порошки, применяемые в быту, промышленности и сфере обслуживания. Мыло получают в результате химического взаимодействия жира и щелочи. Скорее всего, оно было открыто по чистой случайности, когда над костром жарили мясо, и жир стекал на золу, обладающую щелочными свойствами. Производство мыла имеет давнюю историю, а вот первое синтетическое моющее средство (СМС) появилось в 1916г., его изобрел немецкий химик Фриц Гюнтер для промышленных целей. Бытовые СМС, более или менее безвредные для рук, стали выпускаться 1933г. С тех пор разработан целый ряд синтетических моющих средств (СМС) узкого назначения, а их производство стало важной отраслью химической промышленности.

Именно из-за поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает достаточным чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу, вместо того чтобы захватывать частицы грязи, другими словами они не смачивают грязь.

Мыло и синтетические моющие средства содержат вещества, повышающие смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения. Эти вещества называются поверхностно-активными (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости.

Рис. 6

Сейчас производство СМС стало важной отраслью химической промышленности. Эти вещества называют поверхностно-активным веществом (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости. Молекулы ПАВ можно представить в виде головастиков. Головами они «цепляются» за воду, а «хвостами» за жир. Когда ПАВ смешивают с водой, их молекулы на поверхности обращены «головами» вниз, а «хвостами» наружу. Раздробив таким образом поверхность воды, эти молекулы значительно уменьшают эффект поверхностного натяжения, тем самым помогая воде проникнуть в ткань. Этими же «хвостиками» молекулы ПАВ (Рис 6) захватывают попадающиеся им молекулы жира.2

Оливковое масло всплывает в воде, но тонет в спирте. Можно приготовить такую смесь воды и спирта, в которой масло будет находиться в равновесии. Введём с помощью стеклянной трубки или шприца в эту смесь немного оливкового масла: масло соберётся в одну шарообразную каплю, которая будет висеть неподвижно в жидкости. Если пропустить через центр масляного шара проволоку и вращать её, то масляный шар начинает сплющиваться, а затем, через несколько секунд, от него отделяется кольцо из маленьких шарообразных капелек масла. Этот опыт впервые произвел бельгийский физик Плато.

Опыты:

Опыт № 1

1.Налили в блюдце молоко так, чтобы оно закрыло дно

2. Капнули на поверхность молока 2 капля зеленки

3. Наблюдали, как зеленка «увлекается» от центра к краям. Две капли зеленки покрывают большую часть поверхности молока!

Вывод: поверхностное натяжение зеленки, намного меньше, чем молока.

Опыт№2

 На поверхность зеленки капнули жидкость для мытья посуды «Fairy», мы увидели, как эта жидкость растеклась по всей поверхности.

Вывод: поверхностное натяжение моющего средства меньше, чем зеленки.

Опыт№5

1. В широкий стеклянный сосуд налили воду.
2. На поверхность бросили кусочки пенопласта.
3. Прикоснулись к центру поверхности воды кусочком сахара.
4. Кусочки пенопласта начинают двигаться от краев сосуда к центру

Вывод: поверхностное натяжение водного раствора сахара больше, чем чистой воды.

Опыт№6Удаление с поверхности ткани жирового пятна

Смочили бензином ватку и этой ваткой смочили края пятна (а не само пятно). Бензин уменьшает поверхностное натяжение, поэтому жир собирается к центру пятна и оттуда его можно удалить, этой же ваткой если же смачивать, само пятно, то оно может увеличиться в размерах вследствие уменьшения поверхностного натяжения.

Опыт№7 Капиллярные сосуды растений

Для опыта мы взяли листок на стебле. В воде растворили пищевой краситель жёлтого цвета. Вода подкрашивается для того, чтобы можно было наблюдать за поднятием жидкости по стеблю. В подкрашенную воду опустили цветы. Через некоторое время стало заметно, что подкрашенная вода сама поднимается вверх по стеблю.

 Вывод: При этом наблюдаются капиллярные явления.  

Опыт№8 Капиллярные сосуды растений

Флористы используют явление капиллярности для окраски цветов в нужный им колер

Опыт 3

Капиллярные сосуды человека

 Опыт 1. «Радуга в стакане»

 Промокательная бумага. Ставим на её поверхности разноцветные  точки фломастерами. Опускаем в сосуд с водой.

Вывод: вода сама движется вверх в порах промокательной бумаги, превращая разноцветные точки в радугу. По ткани и бумаге вода поднимается потому, что эти материалы пронизаны капиллярами. По этому же принципу капиллярности вода впитывается когда нам приходится высушивать кляксу, или в ткани полотенца, когда вытираем лицо.  

Опыт 2. «Чудесные цветы»

Мы вырезали из бумаги цветы с длинными лепестками и при помощи карандаша закрутили лепестки к центру. Вырезали из бумаги с короткими лепестками и согнули их к центру, «закрыв» цветок. Опустили цветы на воду, налитую в таз.

 Вывод: Цветы буквально «оживают» на глазах - лепестки цветов распустились.  

Опыт№ Волшебные спички

Мы взяли 5 спичек, надломили их посередине, согнули и положили на ровную поверхность(блюдце). Капнули из пипетки несколько капель воды на сгибы спичек.  

  Постепенно спички стали расправляться и сложились в звёздочку.

Вывод: Причина указанных наблюдений – в капиллярности. Волокна бумаги, дерева впитывают воду, вода «распространяется», волокна бумаги и уцелевшие волокна дерева набухают, уже не могут «держать сгиб» и расправляются.  

Опыт 4. ГУЛЯЮЩАЯ ВОДА

 Для нашего опыта мы взяли два стакана. Один из них наполнили водой, подкрашенной в синий цвет. Опустили в стакан с водой конец полоски чистой материи, а ее второй конец - в пустой стакан. Вода, воспользовавшись узенькими промежутками между волокнами материи, начала подниматься, а потом под действием силы тяжести стекалась в пустой стакан.

 Вывод: Полоска материи играет роль очень простого насоса, благодаря принципу капиллярности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как видно из моих исследований, объяснение капиллярности связано с явлениями смачивания и несмачивания, которые приводят к образованию вогнутого или выпуклого менисков в узких трубках – капиллярах. Смачивающая жидкость втягивается внутрь капилляра. Подъем жидкости происходит до тех пор, пока результирующая сила, действующая на жидкость вверх, не уравновесится силой тяжести столба жидкости высотой h.  

Явление капиллярного подъема жидкости исследуется уже более 400 лет. Начало этим исследованиям было положено еще Леонардо да Винчи. Продолжили эти исследования Б. Паскаль, Т. Юнг, П. Лаплас, Д. Гиббс. Исслеиям капиллярных явлений, в той или иной мере, посвятили себя также К. Гаусс, С. Пуассон, Г. Кирхгоф, Д. Максвелл, А. Пуанкаре, Ф. Нейман и многие другие известные ученые. Очевидно, что такой интерес обусловлен не только глубокой таинственностью данного процесса, но и практическим смыслом. Ведь капиллярные явления имеют значение в обеспечении жизнедеятельности растений и животных; они используются в технологических процессах пропитки, сварки, склеивания, смазки; эти явления помогают ежедневно нам в быту при стирке, крашении, пайке, сушке и находят широкое применение в науке и технике.Можно не сомневаться, что все загадки будут успешно разрешены наукой. Будет открыто еще немало новых, более удивительных загадочных свойств воды — самого необыкновенного вещества в мире.  

Литература

1. Перельман Я.И. Занимательная физика: Книга 1. – М.: Наука, 1999.-224с.

2. Интернет-ресурсы.

3. Настольная книга русского земледельца – М.: АО «Прибой», 1993-704с.

4. «Физика в школе» Жерехов Г.И. «Домашние экспериментальные задания с политехническим содержанием». 1979 №5.- 96с.

5. Шамаш С.Я., Эвенчик Э.Е., Орлов В.А. и другие Методика преподавания физики в средней школе: Молекулярная физика. Электродинамика: Пособие для учителя/ С.Я. Шамаш, Э.Е.Эвенчик, В.А. Орлов и другие - М.: Просвещение, 1987.-256с.

6. Касьянов В.А Физика. 10 класс: Тетрадь для лабораторных работ/В.А. Касьянов – М.: Дрофа, 2004.- 48с.