Многие интересные явления из области физики остаются нами незамеченными. Например, стоит понаблюдать за водой, текущей из крана. Можно заметить, что вверху струя соответствует диаметру трубы, а внизу становится заметно уже. Как объяснить такое явление и почему вода вообще не разливается во все стороны, а держит определенную форму?
Межмолекулярная сила и поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение – это явление, которое возникает на границе тел, находящихся в разном состоянии: твердом, жидком и газообразном. Чаще всего оно образуется между жидкостью и газом. Измеряется в Н/м (ньютон на метр). Разные жидкости имеют разный коэффициент поверхностного натяжения по отношению к воздуху.
Интересный факт: коэффициент поверхностного натяжения ртути очень высокий – 486,5 Н/м. Именно поэтому при контакте с воздухом она тут же собирается в шарики. Так ртуть стремится к минимальной площади внешней поверхности.
Межмолекулярная сила
Поверхностное натяжение напрямую связано с межмолекулярной силой. В качестве примера можно взять каплю воды на поверхности. Вода представляет собой большое количество молекул.
Капля окружена воздухом. Она держит четкую форму благодаря тому, что молекулы воды стремятся друг к другу. Это стремление носит название межмолекулярной силы. Внутри жидкости молекулы находятся в постоянном движении, притягиваются друг другом в разные стороны.
Капли воды на листе удерживаются благодаря поверхностному натяжению
Однако на границе вода-воздух молекулы устремляются лишь «внутрь» капли, в противоположную от воздуха сторону. Молекулы, находящиеся в самом верху капли, еще сильнее притягиваются друг к другу. Образуются водородные связи, а поверхность капли становится невероятно прочной, не давая ей растекаться.
Почему не разливается вода, а ее струя сужается?
То же самое происходит со струей воды. Она плавно течет вниз, поскольку в данном случае молекулы притягиваются в «центр». Поверхностное натяжение образует своего рода «трубу», по которой струя перемещается вниз и не разлетается.
Кроме того, вода находится в свободном падении. Это означает, что она движется с определенным ускорением – чем ниже, тем выше скорость. Вода течет непрерывно, поэтому в любой части этого потока в каждый момент времени проходит одинаковый объем жидкости.
До раскрытия парашюта парашютисты находятся в свободном падении
Но, учитывая, что внизу скорость потока намного выше, а объем воды поступает прежний, струя становится уже. Это происходит под действием силы притяжения. Струя как будто вытягивается в вертикальном направлении. Когда она сузится до пары миллиметров в толщину, под действием поверхностного натяжения начнут образовываться отдельные капли.
Аналогичные процессы будут происходить с каплями воды, если одну вылить чуть раньше другой. Первая капля начнет ускоряться быстрее. Постепенно расстояние между ней и второй каплей будет увеличиваться.
Польза поверхностного натяжения
Наличие поверхностного натяжения несет огромную пользу во всем окружающем нас мире. Если известен его коэффициент для определенного чистого состава, то отклонение от данного показателя будет указывать на загрязнение вещества. Определение поверхностного натяжения происходит на молекулярном уровне.
Важно оно и для всех водоемов на планете, экосистем. Без данной силы вода то и дело меняла бы состав, контактируя с воздухом. А она, в свою очередь, является средой обитания для огромного количества живых организмов.
Интересный факт: насекомые водомерки – отличный пример поверхностного натяжения. Благодаря нему они скользят по поверхности воды. Ноги насекомого отталкивают воду и не дают ему утонуть. Водомерка
На струю воды действуют силы притяжения и поверхностного натяжения. Одинаковый объем воды непрерывно двигается вниз. Внизу струя набирает большую скорость. Из-за того, что количество воды остается неизменным, сужается сама струя. А поверхностное натяжение не дает воде разлиться сразу при выходе из крана.
