Дослідження "Мильна бульбашка і поверхневий натяг"
1
Наукове дослідження
МИЛЬНА БУЛЬБАШКА І ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ
Тези
науково-дослідницької роботи на тему:
«Мильна бульбашка і поверхневий натяг»
Чимало вчених не змогли залишитися осторонь від дитячої розваги – утворення мильних бульбашок. Так, наприклад, англійський фізик Вільям Томсон у своїх лекціях часто говорив про те, що видуваючи мильну бульбашку і спостерігаючи за нею, можна зробити дуже багато цікавих відкриттів. Мильні бульбашки є відмінним об’єктом для спостереження різних фізичних явищ, які легко розуміються і доступні для спостереження. Це зумовлює актуальність теми даної науково-дослідної роботи.
Метою дослідження був аналіз наукової літератури з історії виникнення мильних бульбашок, цікавих фактів, що пов’язані з ними, а також розгляд фізичних явищ, які можливо спостерігати за допомогою мильних бульбашок.
Серед основних завдань дослідження були систематизація матеріалу про історію виникнення мильних бульбашок та способи їх утворення використовуючи фізичні явища поверхневого натягу рідини; аналіз теоретичного матеріалу щодо вивчення явища поверхневого натягу.
Проведене дослідження дозволило провести наступні висновки: мильна бульбашка – тонка багатошарова плівка мильної води, наповнена повітрям, зазвичай у вигляді сфери з переливчастою поверхнею. Мильні бульбашки зазвичай існують лише кілька секунд і лопаються при дотику або мимовільно. Існує декілька методів визначення поверхневого натягу, найбільш розповсюдженими з яких є методи відриву крапель та відриву дротяної петлі від поверхні рідини.
ЗМІСТ
ВСТУП 4
РОЗДІЛ 1. МИЛЬНІ БУЛЬБАШКИ 5
1.1. Історія виникнення мильних бульбашок 5
1.2. Цікаві факти про мильні бульбашки 7
1.3. Мильні бульбашки у домашніх умовах 9
1.4. Опис дослідів з надування мильних бульбашок 14
РОЗДІЛ 2. ЯВИЩЕ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ 16
2.1. Сутність явища поверхневого натягу та капілярності 16
2.2. Основні методи визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини 18
2.3. Вдосконалення дослідження явища поверхневого натягу 20
ВИСНОВКИ 23
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 24
ДОДАТКИ 25
ВСТУП
Актуальність дослідження. Мильні бульбашки є розвагою для дітей. Але не лише цю функцію вони мають. Чимало вчених не змогли залишитися осторонь від дитячої розваги – утворення мильних бульбашок. Так, наприклад, англійський фізик Вільям Томсон у своїх лекціях часто говорив про те, що видуваючи мильну кулю і спостерігаючи за нею, можна зробити дуже багато цікавих відкриттів. Мильні бульбашки є відмінним об’єктом для спостереження різних фізичних явищ. Поверхневий натяг, термодинаміка, оптика – тільки деякі з них. І все це легко розуміється і доступно для спостереження.
Об’єкт дослідження: процес утворення мильної бульбашки.
Предмет дослідження: мильна бульбашка, поверхневий натяг рідини, способи отримання мильних бульбашок.
Мета дослідження: аналізувати наукову літературу з історії виникнення мильних бульбашок, цікаві факти, що пов’язані з ними, а також розглянути фізичні явища, які можливо спостерігати за допомогою мильних бульбашок.
Основні завдання дослідження: систематизація матеріалу про історію виникнення мильних бульбашок та способи їх утворення використовуючи фізичні явища поверхневого натягу рідини; аналіз теоретичного матеріалу щодо вивчення явища поверхневого натягу.
Методи дослідження: метод аналізу та синтезу, історичний, емпіричний та метод узагальнення незалежних характеристик.
Наукова новизна дослідження: полягає в тому, що нами зроблена спроба систематизувати існуючі матеріали про історію виникнення мильних бульбашок.
Практичне значення. Ця робота може бути використана для більш поглибленого вивчення фізичних явищ поверхневого натягу за допомогою мильних бульбашок.
РОЗДІЛ 1
МИЛЬНІ БУЛЬБАШКИ
1.1. Історія виникнення мильних бульбашок
У цілій низці праць учених розкриваються питання дослідження поверхневого натягу рідини. Аналіз праць французького біофізика П’єра Леконта дю Нуї та німецького фізика Людвіг Фердінанд Вільгельмі дозволив ознайомитися з методами визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідин.
За нинішніх стрімких умов розвитку науки збільшується роль новітніх технологій, впровадження яких дозволяє краще подати навчальний матеріал з вивчення поверхневого натягу учням, а фізичний експеримент з даної тематики буде більш доступним та підвищиться рівень наочності [5, с. 32].
Мильні бульбашки є проявом явища поверхневого натягу. Вперше мильні бульбашки були створені кілька тисяч років тому. При розкопках міста Помпей були знайдені фрески із зображенням дітей, які видувають бульбашки. Деякі стародавні китайські папіруси зображують людей, які видували прозорі кулі через глиняні палички.
Є дві версії виникнення мильних бульбашок. Перша версія полягає в тому, що деякі історики дотримуються думки – мило винайшли римляни. Вони ж придумали популярну нині розвагу. Стародавні племена перед проведенням урочистих обрядів змащували себе жиром і посипали попелом. Незабаром вони помітили благотворний вплив цих компонентів на волосся і задумалися про створення мила. А потім з'явилися мильні бульбашки.
Інша версія виникнення мильних бульбашок. В давнину король однієї з країн віддав наказ усім ретельно вимитися. Ніхто не смів ослухатись, всі жителі почали намилюватися милом, терли один одному спини і лише один сажотрус не захотів мити шию. Він взагалі ніколи цього не робив і не збирався надалі. Його посадили в камеру, де він займався розкурюванням улюбленої трубки. Одного разу за ним прийшли стражники і посадили в камеру, де було мило, ванна і рушник. Норовистий сажотрус почув, що якщо він не помиється, то його стратять. Але той все одно стояв на своєму. Тоді йому запропонували викурити останню в житті трубку. В цьому задоволенні він не міг собі відмовити. І уявіть здивування сажотруса, коли замість диму з трубки видулася мильна бульбашка. Вилетівши у вікно, вона засяяла на сонці. Люди, що побачили це диво були здивовані. До вікна тюремної камери збігалося все більше людей. В камеру привели місцевого професора, і він відзначив, що в трубку потрапила мильна вода, звідси і мильні бульбашки. Всі прийшли в такий захват, що вже й не думали про страту. Навпаки, з тих пір сажотрус став відомим і почесним громадянином королівства. За купівлю можна було розраховуватися мильними бульбашками, вони стали певною цінністю. І ніхто так і не змусив сажотруса помити шию. Ось така існує весела легенда появи першої в світі мильної бульбашки. Діти дуже люблять мильні бульбашки. Найбільший захват викликала покупка нового флакону бульбашок, адже тепер можна було видути ще тисячі куль. У 1994 році Тім Кехоз поставив мету – створити ідеальний барвник для мильних бульбашок. Спочатку результати були слабенькими – бульбашки виходили блідими, ледь помітного відтінку. Були витрачені роки на те, щоб створити ідеальну формулу рідини. Ця формула дала можливість створювати мильні бульбашки, що не залишають слідів на поверхнях. Винахід запатентували [4, с. 310-316].
Мистецтво створення і надування мильних бульбашок дуже популярно і масштабно. Справжні професіонали в цій області не тільки тримають у таємниці унікальні секретні формули: вони роками відточують техніку рухів, тонко відчувають «правильні» природні умови (вологість і вітер).
Самі феноменальні випадки заносяться у Книгу рекордів Гіннеса. Наприклад, найбільша мильна куля була надута в 1996 році Аланом Маккєєм. Її діаметр склав 32 м. А інший рекордсмен Сем Хіст зумів помістити в гігантському бульку з мила, розміром 1,5 на 3 м, цілих 50 осіб. Це неординарна подія сталася вже в нашому столітті – в 2007 році.
1.2. Цікаві факти про мильні бульбашки
|
Рис. 1.1. Заморожена мильна бульбашка |
Заморожена мильна бульбашка. Ця мильна бульбашка покривається найтоншою плівкою, немов яєчною шкаралупою. І якщо кинути таку кулю на підлогу, розколеться тільки «шкаралупа», а сама оболонка залишається неушкодженою. Найкраща температура для заморожування бульбашок рівна мінус 7°С. Якщо помістити його над полум’ям спиртівки, бульбашка теж не лопне, а швидше за все, стане випаровуватися, зменшуючись в розмірах. Вчені вважають, що уявлення про недовговічність мильних бульбашок не відповідає істині. Винахідник всім відомої колби для термоса Джеймс Дьюар пробував «консервувати» мильні бульбашки в спеціальних герметичних ємностях, і вони зберігалися там по місяцю і довше. А нещодавно з однієї американської лабораторії прийшло повідомлення: одна з мильних кульок проіснувала 340 діб – майже рік!
Плівка мильної бульбашки складається з тонкого шару води, укладеного між двома шарами молекул, найчастіше мила. Ці шари містять в собі молекули, одна частина яких є гідрофільною. Гідрофільна частина залучається тонким шаром води, в той час як гідрофобна, навпаки, виштовхується. У результаті утворюються шари, що захищають воду від швидкого випаровування і зменшують поверхневий натяг [4, с. 122].
Мильна бульбашка не обов’язково має кулясту форму. Мильна плівка, натягнута на каркаси, може приймати найнеймовірніші форми. Цією властивістю широко користуються архітектори і конструктори. Вони знають, що натягнута плівка підкаже їм економічну і стійку конструкцію покриття, яку можна створити при мінімальній витраті матеріалу.
Родич мильної бульбашки – аеростат використовується для прогнозу погоди і захоплюючих повітряних подорожей. У гірській промисловості за допомогою бульбашок, але повітряних, проводять флотацію – процес збагачення гірських руд. Бульбашки в розчині обволікають частинки руди і піднімають її на поверхню, а пуста порода залишається на дні. Вивчаючи як лопаються бульбашки, вчені прийшли до розуміння процесів кавітації. Коли таке відбувається в воді, тиск змінюється дуже різко, через що може зруйнуватися навіть метал, скажімо, гребний гвинт корабля.
Чому мильні бульбашки мають райдужне забарвлення? Під час надування мильної бульбашки можна бачити на її поверхні кольорові плями і переливи світла (рожеві, зелені, сині). Таке райдужне забарвлення з’являється тому, що у складі мильного розчину є гліцерин і мильна основа. За допомогою гліцерину стінка мильної бульбашки ущільнюється, а мило сприяє зменшенню поверхневого натягу води. У результаті стінки плівки стають еластичними і досить добре розтягуються. Сама стінка має три шари два шари води і шар мила. Коли на неї потрапляє світло, промінь починає переломлюватися. Через те, що шари мають у своєму складі речовини, які по-різному заломлюють промені світла, і виходить, що на поверхні мильної бульбашки видно райдужне забарвлення.
Товщина плівки мильної бульбашки. Щоб розріз стінки мильної бульбашки вбачався у вигляді тонкої лінії необхідно збільшення в 40 000 разів, при такому ж збільшенні волосся буде мати товщину понад 2 м.
Чому бульбашки круглі? Уявіть собі, що ви наповнюєте водою повітряну кульку. Чим більше води ви в неї наливаєте, тим сильніше розтягується гумова оболонка кульки. Зрештою, вона перестане розтягуватися і лопне. Тепер уявіть собі краплю води. Вода збирається на кінчику піпетки у вигляді зростаючої краплі. Крапля стає все більше і більше. Нарешті вона досягає певного критичного розміру і відривається від кінчика піпетки. Бойз задав собі питання: «А чому вода взагалі збирається на кінчику піпетки у вигляді краплі?» Враження таке, що вода стікає в маленький еластичний мішечок, на зразок повітряної кульки. Цей мішечок відривається від піпетки тоді, коли переповнюється водою. Навколо краплі, природно, немає ніякого еластичного мішечка. Але щось повинно утримувати краплю в її класичній формі. Повинна бути невидима оболонка [4, с. 332-335].
1.3. Мильні бульбашки у домашніх умовах
У цьому підрозділі нашої науково-дослідницької роботи розглянемо можливість у домашніх умовах виготовити мильні бульбашки.
Більшість рецептів, які підходять для використання в домашніх умовах, не містять небезпечних або ж дорогих компонентів, основна частина яких завжди знайдеться на кухні чи у ванній кімнаті. Плюс до всього, рідина для мильних бульбашок прекрасно зберігається в холодильнику, тому варто заздалегідь подбати про те, щоб вона завжди була під рукою у достатній кількості. В дитинстві ми намагалися пускати мильні бульбашки, використовуючи для цих цілей шампунь, який необхідно було розвести водою. Принадність такого рецепта полягала в простоті приготування мильною суміші, яка, втім, мала і свої недоліки. Вже через 10-15 хвилин бульбашки просто переставали видуватися або ж моментально лопалися. Втім, якщо склалася екстраординарна ситуація, і дитину необхідно терміново чимось відволікти, то такий рецепт мильних бульбашок підійде ідеально.
|
Рис. 1.2. Виготовлення мильної бульбашки з гліцерином |
Мильні бульбашки з гліцерином. Втім, досвідчені пускачі мильних бульбашок чудово обізнані про те, що основна проблема полягає в тому, як домогтися максимально тривалого терміну їх «життя». Ну, хоча б такого, що дозволяють досягти рідини промислового виробництва. І в цьому відношенні незамінним помічником є гліцерин, який дозволяє зробити стінки мильних бульбашок більш міцними. В результаті деякі рецепти дають дійсно вражаючий ефект, коли бульбашки, вдало приземлившись на асфальт або ж будь-яку іншу відносно гладку поверхню, утворюють півсферу, яка не лопається протягом 10-15 хвилин.
На основі гліцерину у домашніх умовах можна створити кілька типів мильних бульбашок. Якщо необхідно, щоб вони виходили дрібними і не особливо довговічними, то в цьому випадку можна взяти приблизно 100 мл будь-якого засобу для миття посуду, гарненько змішати його з 300 мл теплої води, після чого додати 30 мл гліцерину. Потім слід ще раз ретельно перемішати всі інгредієнти, після чого можна сміливо влаштовувати шоу не тільки для дітей, але і для дорослих. Тим, хто розраховує навчитися видувати великі і важкі мильні бульбашки, варто скористатися більш складним рецептом приготування суміші. В якості основи для неї можна взяти будь-який шампунь, 100 мл якого слід розбавити 300 мл води, після чого додати одну столову ложку гліцерину і таку ж кількість цукру. Потім суміш необхідно ретельно перемішати і залишити в холодильнику приблизно на 10-12 годин. З такого мильного розчину виходять чудові мильні бульбашки, великі і не розриваються досить довго [3, с. 112].
|
Рис. 1.3. Виготовлення мильної бульбашки з господарського мила |
Мильні бульбашки з господарського мила. Тим, хто любить невеликі і акуратні бульбашки, але при цьому хоче, щоб вони не лопалися відразу ж після видування, слід скористатися рецептом, який готується на основі господарського мила. Його треба взяти приблизно 50 г і натерти на тертці, залити 100 мл води і злегка підігріти на плиті, щоб вийшла густа, в’язка однорідна суміш. Коли вона охолоне, слід влити ще 200 мл води, 100 мл гліцерину і 1 чайну ложку нашатирного спирту, завдяки якому бульбашки будуть переливатися всіма кольорами веселки. Отриманий склад повинен вистояти в холодильнику не менше двох діб, після чого його необхідно ретельно переміщати, пропустити через кілька шарів марлі, щоб видалити згустки, і знову відправити в холодне місце на 5-7 годин. Після цього розчин для бульбашок можна сміливо використовувати, не побоюючись, що вони будуть занадто швидко лопатися.
|
Рис. 1.4. Мильна бульбашка |
Мильні бульбашки з дитячого шампуню. Коли мова йде про маленьких дітей, то у дорослих нерідко виникає питання: як же убезпечити їх від неприємностей під час гри? Навіть коли використовуються звичайні мильні бульбашки, невинна розвага може обернутися дитячими сльозами, якщо, наприклад, склад потрапить дитині в очі. Щоб знизити ризик подібних неприємностей, в домашніх умовах можна приготувати так звані мильні бульбашки без сліз, основу яких складає дитячий шампунь. Його знадобиться приблизно 100 мл, які слід розвести в 200 мл холодної води, після чого на добу поставити суміш в холодильник. Перед використанням отриману рідину необхідно перемішати і влити в неї 30мл гліцерину [2, с. 77].
|
Рис. 1.5. Виготовлення мильної бульбашки без гліцерину |
Мильні бульбашки без гліцерину. Якщо мова йде про мильні пузирі для разового використання, наприклад, під час домашньої вечірки, то можна обійтися і без гліцерину. У цьому випадку його функції чудово виконує звичайний цукор. Однак слід враховувати, що такі бульбашки безглуздо зберігати в холодильнику, так як при повторному використанні вони втратять свої якості. В якості основи для «цукрових» бульбашок можна використовувати абсолютно будь-які миючі засоби. Знавці стверджують, що найбільш оптимальним є поєднання шампуню та засобу для миття посуду, які беруться приблизно в рівних пропорціях, після чого заливаються холодною водою. Потім в суміш досить додати приблизно одну чайну ложку цукру, щоб, принаймні, протягом декількох годин отримувати досить великі і стійкі бульбашки. Крім цього, для приготування мильної рідини можна використовувати суміш з прального порошку, засоби для миття посуду і крему для гоління, які беруться приблизно в однакових пропорціях і розводяться водою, в яку попередньо необхідно додати трохи цукру.
Мильні бульбашки з кукурудзяним сиропом. Кукурудзяний сироп може замінити цукор або гліцерин. Для приготування розчину потрібно 600 мл води, 200 мл шампуню або рідини для посуду та 70-80 мл кукурудзяного сиропу.
|
Рис. 1.6. Виготовлення мильної бульбашки з кукурудзяним сиропом |
Рецепт приготування цього розчину дуже простий: вам просто необхідно додати сироп і засіб для миття посуду у воду, а потім добре все перемішати.
Перевірити якість мильної рідини легко: надуйте бульбашку, опустіть палець в піну і акуратно торкніться ним бульбашки. Якщо вона луснула, то варто додати ще невелику кількість гліцерину або цукру. Якщо ж бульбашки важко надуваються і виходять занадто важкими, додайте в розчин трохи води. Якщо бульбашки добре надуваються і не лопаються, то розчин приготовлений правильно, в нього більше нічого додавати не потрібно.
Мильні бульбашки з прального порошку. На приготування розчину з додаванням прального порошку у вас піде декілька днів. Для приготування розчину потрібні такі інгредієнти: 300 мл води, 100 мл гліцерину, 8-10 крапель нашатирного спирту, 20-25 г прального порошку.
|
Рис. 1.7. Виготовлення мильної бульбашки з прального порошку |
Додайте в гарячу воду пральний порошок і перемішайте до його повного розчинення. Потім додайте решту інгредієнтів. Отриманий мильний розчин повинен постояти близько двох діб.
Зачекавши пару днів, процідіть розчин і на кілька годин (можна на ніч) відправте в холодильник. Після цього він буде готовий до застосування [5, с. 112].
Склад мильних бульбашок. Володіючи знаннями, як зробити мильні бульбашки в домашніх умовах, залишилося тільки зібрати необхідні інгредієнти і створити святковий настрій. Ознайомтеся зі списком складових, які можуть вам знадобитися при приготуванні розчину для видування бульбашок [4, с. 105].
Таблиця 1.1
Склад мильних бульбашок
|
Назва інгредієнта |
Характеристика |
|
Вода |
Потрібно використовувати дистильовану воду, куплену в аптеці, або з водопроводу, але прокип’ячену. |
|
Мило |
Краще використовувати продукт з мінімумом ароматизаторів і добавок, наприклад, відмінно підійде господарське мило. Цей інгредієнт треба натерти на дуже дрібній тертці і розмішувати у воді до остаточного розчинення, і після цього додавати інші компоненти. |
|
Рідина для миття посуду |
Її дуже легко розчинити у воді порівняно з милом. |
|
Дитячий шампунь |
Завдяки м’якому складу підійде для застосування в іграх самих маленьких діток. |
|
Піна для ванн |
З її допомогою можна робити рідину для видування з різними насиченими, яскравими запахами. |
|
Гліцерин |
Цей інгредієнт можна купити в аптеці. Він відповідає за те, щоб розчин для мильних бульбашок виробляв міцні та великі кулі. |
|
Нашатирний спирт, цукор |
Використовуються в деяких рецептах для додання бульбашкам міцності. |
|
Харчові барвники |
У найближчому магазині можна купити такі речовини різних кольорів, а потім, розділивши розчин на частини, зробити рідину для мильних бульбашок різноманітної кольорової гами. |
1.4. Опис дослідів з надування мильних бульбашок
Дослід 1. Бульбашки навколо предметів. У тарілку наливаємо мильного розчину настільки, щоб дно тарілки було покрито шаром в 2-3 міліметри висоти; в середину кладемо маленьку яскраву фігурку і накриваємо лійкою. Потім, повільно піднімаючи воронку, дуємо в її вузьку трубочку – утворюється мильна бульбашка. Коли ця бульбашка досягне достатніх розмірів, схиляємо воронку, вивільняючи з під неї бульбашку. Фігурка виявляється лежить під прозорим напівкруглим ковпаком з мильної плівки.
Висновок: мильна плівка бульбашки досить міцна і еластична, щоб в неї можна було помістити невеликий предмет, попередньо змочений мильним розчином.
Дослід 2. Бульбашки на підставці. З дроту і нитки тато зробив мені кільце, діаметр якого приблизно 5 см. Занурюємо це кільце в мильний розчин. Робимо швидкий і різкий помах. Від потоку повітря утворюється бульбашка, вона швидко відривається від кільця. Обережно підставляємо це кільце під падаючу бульбашку. Вона зручно розміщується на кільці-підставці на 2 хвилини. Таким же чином, можна розмістити бульбашку на будь-яку красиву підставку, якщо змочити її мильним розчином.
Висновок: даний дослід спростовує поширене переконання про «недоторканність» бульбашки і її недовговічність. Для того, щоб посадити бульбашку на предмет досить просто змочити його мильним розчином, тим самим, згладивши шорсткості поверхні предмета і милуватися її райдужною красою протягом декількох хвилин.
Дослід 3. Снігові квіти. За допомогою мильних бульбашок можна робити снігові квіти. Ми знаємо, що сніжинки утворюються з голчастих кристаликів льоду. Відбувається це високо в хмарах. Але можна побачити утворення снігових зірочок і на землі, під самим своїм носом. У морозний, але тихий день треба вийти з дому і видути велику мильну бульбашку. Зараз же вода в тонкій плівці мильного розчину почне замерзати. У ній з'являться крижані голочки. Вони будуть збиратися в чудові крижані зірочки і квіти. Ще я спробувала помістити мильні бульбашки в морозильну камеру. Спробувала заморозити! Видула кульку і поклала її на фланелеву поверхню. У морозилці потримала зовсім небагато часу. Що я побачила? На бульбашці утворилася тоненька скоринка. Вано замерзла і виглядала як ялинкова іграшка!
Висновок: Мильна бульбашка містить воду, яка, замерзаючи на морозі, перетворюється на кристалики льоду.
Слід зазначити ще, що звичайні уявлення про недовговічність мильних бульбашок не цілком правильні: при належному поводженні вдається зберегти мильну бульбашку протягом цілих декад. Шотландський фізик Джеймс Дьюар (прославився своїми роботами по зрідженню повітря) зберігав мильні бульбашки в особливих пляшках, добре захищених від пилу, висихання і струсу повітря; при таких умовах йому вдалося зберегти деякі бульбашки місяць і більше [4, с. 85].
РОЗДІЛ 2
ЯВИЩЕ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ
2.1. Сутність явища поверхневого натягу та капілярності
Розглянемо довільну рідину і визначимо стан молекул на вільній поверхні і всередині рідини.
Всередині рідини молекулу з усіх боків симетрично оточують такі ж самі молекули і дія їх компенсується. У молекули, яка знаходиться на поверхні рідини, оточення не симетричне – переважають дії молекул нижчих шарів (рідини). Взаємодія молекули рідини з молекулами повітря і пари над рідиною настільки мала, що нею можна знехтувати. Отже, усі молекули рідини, які містяться в поверхневому шарі, товщина якого дорівнює радіусу сфери молекулярної взаємодії (R=10–7 см), перебувають під дією певних результуючих сил молекулярних взаємодій, напрямлених всередину рідини. Чим вища молекула в поверхневому шарі, тим більша результуюча сила діє на неї. Ці сили створюють поверхневий молекулярний тиск на рідину [1, с. 178].
Щоб перейти з середини рідини в поверхневий шар, молекули повинні виконати роботу проти результуючих сил молекулярних дій інших шарів молекул. Через те потенціальна енергія поверхневих молекул збільшується. Весь поверхневий шар має додаткову енергію, яка є складовою частиною внутрішньої енергії рідини.
Оскільки положенню рівноваги відповідає мінімум потенціальної енергії, то рідина прагне скоротити площу поверхневої плівки і приймає форму кулі, коли на неї не діють ніякі сили. Сили, які зумовлюють таке скорочення поверхневої плівки рідини, називаються силами поверхневого натягу.
Сила поверхневого натягу рідини пропорційна довжині лінії, яка обмежує поверхню Fп =·L, де Fп – сила поверхневого натягу, яка діє вздовж поверхні рідини по дотичній до неї і перпендикулярна до лінії, що обмежує цю поверхню, L – довжина лінії , що обмежує поверхню рідини, – коефіцієнт поверхневого натягу [8, с. 433].
Коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, яка діє на одиницю довжини лінії контуру. Він вимірюється в Н/м. Якщо коефіцієнт поверхневого натягу визначати через роботу або енергію, то =
або =
, тому що А=Wn. При такому визначенні Джм2.
Коефіцієнт поверхневого натягу рідини залежить від природи рідини, температури і наявності в рідині поверхнево-активних речовин (сіль, мило і таке інше). Наприклад, для води дорівнює 0,072 Н/м, а для спирту – 0,022 Н/м. Явище поверхневого натягу проілюстровано на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Явище поверхневого натягу
Наслідком поверхневого натягу рідини є явище змочування і незмочування рідиною твердого тіла. Якщо сили притягання між молекулами рідини менші, ніж між молекулами рідини і твердого тіла, то рідина змочує тверде тіло. Наприклад, спирт, сеча, вода змочують скло і не змочують жирові плівки.
Якщо сили притягання між молекулами рідини більші за сили притягання між молекулами твердого тіла і рідини, то рідина не змочує тверде тіло. Поняття змочування і незмочування відноситься і до різних не змішуваних рідин. Наприклад, розтікання нафти по поверхні води відбувається внаслідок змочування води нафтою.
Капіляри – це трубочки, діаметр яких менший одного міліметра. До капілярів людського організму відносяться ті кровоносні судини, діаметр яких змінюється в межах 0,5-0,01 мм. У капілярах внаслідок змочування і незмочування їх стінок рідиною відбувається явище викривлення поверхні рідини, тобто утворюється меніск. При змочуванні меніск рідини вгнутий, а при незмочуванні – опуклий.
Викривлена поверхня рідини – меніск – спричинює появу додаткового тиску р на рідину поряд з атмосферним. Величина додаткового тиску визначається за формулою Лапласа: р = 
.
Сила додаткового тиску під вгнутим меніском напрямлена від рідини до центру сферичної поверхні, тобто має знак «–». Сила додаткового тиску під опуклим меніском напрямлена всередину рідини, додається до атмосферного і має знак «+».
Додатковий тиск піднімає або опускає рідину в капілярах в порівнянні з рівнем у широкій посудині. Це явище називають капілярністю [9, с. 435].
В природі явище капілярності відіграє як корисну, так і шкідливу роль. Живлення рослин, дерев водою з ґрунту і розчиненими в ній солями відбувається за рахунок повітряних проміжків в ґрунті, пор в деревині і рослині, які відіграють роль капілярів. Зрихлена земля має мало пор і втримує вологу, а втоптана земля випаровує і втрачає вологу через капілярність. На явищі капілярності заснована дія різних перев’язочних матеріалів, бинтів, вати, серветок, рушників і таке інше.
2.2. Основні методи визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини
Існує декілька методів визначення поверхневого натягу. Найбільш розповсюдженим є методи відриву крапель та відриву дротяної петлі від поверхні рідини. В основі першого методу лежить експериментально встановлене положення, що вага краплі, яка повільно відривається під дією сили тяжіння від кінчика вертикальної трубки сталагмометра, 
буде тим більшою, чим більший поверхневий натяг рідини на межі з повітрям. Вважається, що вага краплі, що відривається від піпетки, пропорційний поверхневому натягу рідини (s) і радіусу піпетки (R), тобто m = 2pRs/g, де g – прискорення вільного падіння, m – маса краплі досліджуваної рідини.
|
Рис. 2.2. Метод відриву крапель |
Процес вимірювань простий і складається з двох етапів. На першому етапі визначається радіус піпетки (сталагмометра). Величина радіусу обчислюється за результатами вимірювання ваги краплі будь-якої стандартної рідини, наприклад, дистильо-ваної води. Для вимірювання радіуса не
використовуються які-небудь додаткові вимірювальні інструменти, такі як мікрометр, оскільки величина радіусу у формулі лише приблизно відображає дійсні розміри використовуваної піпетки.
Другий етап полягає в тому, що з піпетки видавлюється кілька крапель досліджуваної рідини в посуд для зважування. Перша крапля не повинна потрапити в число зважуваних. Далі
зважуванням на вагах визначається загальна вага крапель [3, с. 143].
|
Рис. 2.3. Метод відриву петлі |
Метод відриву дротяної петлі від поверхні рідини. Поверхнева енергія в стані рівноваги рідини прагне до мінімуму, а вільна поверхня рідини намагається скоротитись. При утворенні тонкої плівки рідини шириною l (рис.2.3) вздовж межі поверхні рідини діє сила коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює 
, де σ – коефіцієнт поверхневого натягу. Множник 2 з’являється тому, що плівка має дві поверхні.
Силу поверхневого натягу F вимірюють чутливим динамометром типу ДПН, а ширину плівки, яка дорівнює ширині дротяної петлі, вимірювальною лінійкою. Динамометр типу ДПН складається з корпуса, всередині якого розташована пружина, що закінчується відрізком прямого дроту з гачком. Гачок призначений для з’єднання петлі з пружиною динамометра. Для відліку показів по шкалі динамометра на дроті закріплена стрілка. Досліджувану рідину наливають в скляну чашку. Для вимірювання коефіцієнту поверхневого натягу дротяну петлю повністю занурюють в рідину, а потім повільно витягують з неї. При цьому на петлі утворюється плівка. Коли сила пружності пружини динамометра стане рівна силі поверхневого натягу F, плівка розривається [3, с. 145].
2.3. Вдосконалення дослідження явища поверхневого натягу
Постійний розвиток науки і, зокрема фізики, підвищує роль та важливість експериментального вивчення фізики в середніх закладах освіти. Традиційна система демонстраційних, фронтальних і домашніх дослідів, експериментальних задач, фронтальних лабораторних робіт та фізичного практикуму сформувалась за лінійного накопичення навчальних знань та лінійного розвитку мислення.
Суперечність між новітнім наповненням знаннями підручників і посібників та застарілою матеріальною експериментальною базою, яка не в змозі забезпечити успішне засвоєння цих знань, що нині в останні роки виникла, може вирішена методом оновлення та вдосконалення фізичного обладнання. В ХХІ столітті фізичні кабінети почали оновлювати, впроваджуючи обладнання німецького виробника «PHYWE», який вже чимало років є одним із головним постачальників новітнього фізичного обладнання [5, с. 33].
Рис. 2.4. Загальний вигляд установки для визначення поверхневого натягу:
1 – система «Кобра 3», 2 – стрижень прямокутного перерізу довжиною
250 мм, 3 – датчик Ньютона, 4 – прямокутний затискач, 5 – кільце для визначення поверхневого натягу, 6 – скляна чашка Петрі діаметром 200 мм, 7 – тринога, 8 – лабораторна платформа розмірами 160х130 мм.
Одним з прикладів застосування новітнього обладнання «PHYWE» при викладенні фізики є виконання лабораторної роботи «Вимірювання поверхневого натягу методом відриву з використанням системи «Кобра 3». На рисунку 2.4 подано робочу установку для виконання даної лабораторної роботи, що дозволяє зменшити похибки вимірювань.
Відзначимо, що при виконанні цього досліду отримані результати потребують обробки за допомогою новітніх інформаційно-комунікаційних технологій (виведення результатів на екран персональних комп’ютерів, побудова графік різних залежностей тощо). Цю проблему успішно вирішила система «Кобра 3». Комп'ютерний інтерфейс «Кобра 3» використовується для отримання вимірювань та обчислень при проведені експериментів з фізики, хімії і біології.
На персональному комп’ютері запускаємо систему «Кобра 3». Обережно кільце повністю занурюємо у воду. Опускаємо підйомну платформу приладу. Для цього повертаємо гвинт до того часу, поки на кільці не розірветься водяна плівка. Повторюємо операцію опускання та витягування кільця із води декілька разів. Дані досліду фіксуються на екрані. Тоді коефіцієнт поверхневого натягу 
Н/м для температури води у 17оС. Якщо підігріти воду, то коефіцієнт поверхневого натягу зміниться. З ростом температури значення коефіцієнта поверхневого натягу буде зменшуватися. Після відриву кільця піднімаємо платформу поки кільце не зануриться на глибину 2-3 мм під воду [6, с. 213-214], [7, с. 57].
Результати виконання роботи фіксуються на екрані ПК у вигляді графіку залежності сили поверхневого натягу від часу (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Графік залежності сили поверхневого натягу від часу.
ВИСНОВКИ
У ході дослідження ми з’ясували що собою являє мильна бульбашка, які її фізичні властивості, зрозуміли природу сили поверхневого натягу. Проаналізували теоретичні знання про можливість створення мильних бульбашок у домашніх умовах. Також у цьому дослідженні ознайомилися зі списком складових, які можуть знадобитися при приготуванні розчину для видування сфер.
Мильна бульбашка – тонка багатошарова плівка мильної води, наповнена повітрям, зазвичай у вигляді сфери з переливчастою поверхнею. Мильні бульбашки зазвичай існують лише кілька секунд і лопаються при дотику або мимовільно. Мильна бульбашка – не просто цікава забава з мильної води, а й завжди відчинені ворота до пізнання фізики!
Розглянули поняття поверхневого натягу. Оскільки положенню рівноваги відповідає мінімум потенціальної енергії, то рідина прагне скоротити площу поверхневої плівки і приймає форму кулі, коли на неї не діють ніякі сили. Сили, які зумовлюють таке скорочення поверхневої плівки рідини, називаються силами поверхневого натягу. Сила поверхневого натягу рідини пропорційна довжині лінії, яка обмежує поверхню. Відзначимо, що існує декілька методів визначення поверхневого натягу. Найбільш розповсюдженим є методи відриву крапель та відриву дротяної петлі від поверхні рідини.
В умовах постійного розвитку науки підвищилася роль та важливість експериментального вивчення фізики в середніх закладах освіти. Задля зменшення похибок вимірювань та покращення експерименту фізичні кабінети почали оновлювати, впроваджуючи, зокрема, і обладнання німецького виробника «PHYWE», який вже чимало років є одним із головним постачальників новітнього фізичного обладнання. Одним з прикладів застосування новітнього обладнання «PHYWE» при викладенні фізики є виконання лабораторної роботи «Вимірювання поверхневого натягу методом відриву з використанням системи «Кобра 3». Це обладнання дозволяє досліджувати явище поверхневого натягу у нових умовах, отримуючи більш точніші результати вимірювань і обчислень.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Бар'яхтар В. Г. Фізика. 10 клас. Академічний рівень: [підручн. для загальноосв. навч. закл.] / В.Г. Бар'яхтар, Ф.Я. Божинова. – Х.: Ранок, 2010. – 256 с.
2. Гайдучок Г. М. Фронтальний експеримент з фізики в 7-11 класах середньої школи / Г. М. Гайдучок , В. І. Нижник. – К.: Рад. шк., 1989. – 175 с.
3. Галатюк Ю. М. Дослідницька робота учнів з фізики / Ю. М. Галатюк, В. І. Тищук. – Х.: Основа, 2007. – 192 с.
4. Перельман Я. І. Цікава фізика: [у 2 кн.]/ Я.І. Перельман – К.: КМ-БУКС, 2016. – 495 с.
5. Слюсаренко В. В. Використання новітніх технологій при виконанні фізичного експерименту / В. В. Слюсаренко, М. І. Садовий // Збірник наукових праць Кам’янець-Подільського національного університету імені Івана Огієнка. Серія педагогічна. – 2012. – Вип. 18: Інновації в навчанні фізики: національний та міжнародний досвід. – С. 32-34. – (Index Copernicys).
6. Слюсаренко В. В. Вимірювання поверхневого натягу за допомогою новітнього обладнання «PHYWE» / В.В. Слюсаренко // Наукові записки. Серія: Проблеми методики фізико-математичної і технологічної освіти. – 2013. – Вип. 4; Ч. 2. – С. 211-214. – (КДПУ ім. В. Винниченка).
7. Слюсаренко В. В., Садовий М. І. Методичні забезпечення виконання лабораторних робіт з механіки із новітнім обладнанням «PHYWE». – Кіровоград: ТОВ «САБОНІТ», 2013. – 78 с.
8. Шут М. І. Фізика. 9 кл.: [підручн. для загальноосв. навч. закл.] / М.І. Шут, М.Т. Мартинюк, Л.Ю. Благодаренко. – К.: Перун, 2009. – 224 с.
9. Якібчук П. М. Молекулярна фізика: [підручн. для загальноосв. навч. закл.] / П. М. Якібчук, М. М. Клим. – Вид. 2-ге, допов. – Львів: ЛНУ імені Івана Франка, 2015. – 584 с.
ДОДАТКИ
Додаток А
Коефіцієнт поверхневого натягу речовини σ
(при температурі 293 К)
|
Речовина |
Н/м |
|
Ацетон |
0,024 |
|
Бензин |
0,029 |
|
Вода |
0,072 |
|
Гліцерин |
0,059 |
|
Гас |
0,024 |
|
Ефір |
0,017 |
|
Мильний розчин |
0,040 |
|
Молоко |
0,045 |
|
Олія касторова |
0,033 |
|
Розчин сульфату міді |
0,074 |
|
Ртуть |
0,470 |
|
Скипидар |
0,027 |
|
Спирт етиловий |
0,022 |
про публікацію авторської розробки
Додати розробку