Одной из малозаметных сил, которая тем не менее играет немалую роль в природе, является сила поверхностного натяжения жидкостей. Познакомимся с действием сил поверхностного натяжения, выведем формулу этой силы.
В результате из-за отсутствия других сил молекулы жидкости всегда собираются в шарообразное тело. Равнодействующая сил, действующих на молекулы в глубине этого тела, практически равна нулю. Равнодействующая сил, действующая на молекулы на границе тела, направлена в сторону центра. Это приводит к тому, что плотность молекул внутри жидкости больше, чем плотность молекул, находящихся на границе. В результате в поверхностном слое возникают силы, стремящиеся к сокращению площади поверхности, — это и есть сила поверхностного натяжения.
Сила поверхностного натяжения
Из-за разницы плотности, у молекул на поверхности имеется некоторый избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами в глубине. Таких молекул тем больше, чем больше площадь поверхности. А значит, общая поверхностная энергия прямо пропорциональна площади поверхности жидкости:
$$W_{пов}=sigma S$$
Значение коэффициента $sigma$ в этой формуле зависит от свойств жидкости, он называется коэффициентом поверхностного натяжения. Его физический смысл состоит в том, что это поверхностная энергия слоя жидкости с единичной площадью. Размерность — джоуль на квадратный метр или ньютон на метр.
Для определения силы поверхностного натяжения представим себе квадратную рамку со стороной $l$, затянутую пленкой жидкости (например, мыльной).
При растягивании рамки в одном из направлений на расстояние $h$, площадь поверхности жидкости увеличится на:
$$Delta S=2lh$$
Коэффициент 2 в формуле возникает потому, что пленка жидкости имеет две стороны. Из предыдущей формулы получим, что поверхностная энергия при этом возрастет на:
$$Delta W_{пов}=2lhsigma$$
Вся эта энергия возникла в результате действия внешней силы, растягивающей рамку на расстояние $h$, которая в свою очередь равна сумме двух сил поверхностного натяжения (у пленки две стороны):
$$Delta W_{пов}=F_{внеш}h=2F_{пов}h$$
Приравнивая левые части двух последних формул, имеем:
$$2F_{пов}h=2lhsigma$$
Или, сокращая:
$$F_{пов}=sigma l$$
Направлена эта сила по касательной к поверхности и перпендикулярно границе поверхностного слоя. В данном случае перпендикулярно подвижной стороне рамки.
В обычной жизни мы не замечаем сил поверхностного натяжения. Однако их сил хватает, чтобы удерживать на воде клопов-водомерок или отклонять пламя свечи воздухом, выходящим из надутого мыльного пузыря.
Что мы узнали?
Плотность молекул внутри жидкости больше, чем плотность молекул в поверхностном слое. Это приводит к тому, что равнодействующая сил притяжения и отталкивания в поверхностном слое стремится к его сокращению. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.
