Опыты с ложкой бульона

Квант 1979, №8 с. 27-29 Тег F66H

Опыты
с ложкой бульона

Пожалуйста, смыте интересные явления в жидкостьх пронсходят на ее поверхности, там, где она граничит со своим паром, с другой какой-нибудь жидкостью или с твердым телом.

Поверхность слой жидкости находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости и потому отличается особыми свойствами. Прежде всего, это — поверхность натяжение. С ним связаны такие явления, как, например, смачивание или несмачивание.

Предлагаем вам проведение нескольких опытов и попаждения за поведением одной жидкости на поверхности другой.

Набрав ложку хорошего мясного бульона, не спешите отправить ее в рот. Посмотрите внимательно на бульон — на его поверхности плавают крупные капельки жира. Заметьте размер этих капелек. Отлейте немного бульона из ложки образно в трелку и опять посмотрит на его поверхность — капельки жира расползись, став больше в диаметре и меньше по толщине. Чем обьясняется это интересное явление?

Прежде всего давайте выясним, прикаximых условий капелька жира может находиться на поверхности бульона, не растекаясь. Посмотрите на рисунок 1 — капля жидкости 2 (жира) лежит на поверхности жидкости 1 (бульона). Форма капли напоминает чечевицу. Сверху находится среда 3 — смесь воздуха с парами жидкости 1 и 2. При среды (1, 2 и 3) соприкаются по окружности, ограниченной каплю. Выделим малый элемент этой окружности (вблизи точки O на рисунке 1) длиной $\Delta l$ . На него действуют три силы поверхностного натяжения. На границе раздела жидкость 1 и 2 действует сила $\vec{F}_{12}$ , направленная по касательной к границе раздела и равна по modulo

$|\vec{F}_{12}| = \sigma_{12} \Delta l,$

где $\sigma_{12}$ — коэффициент поверхностного натяжения на границе сред 1 и 2.

Аналогичные силы $\vec{F}_{13}$ и $\vec{F}_{23}$ действуют на границах раздела 1, 3 и 2, 3:

$|\vec{F}_{13}| = \sigma_{13} \Delta l$

$|\vec{F}_{23}| = \sigma_{23} \Delta l.$

Здесь $\sigma_{13}$ и $\sigma_{23}$ — соответствующие коэффициенты поверхностного натяжения.

Очевидно, что капля будет находиться в равновесии, если сумма всех трех сил равна нулю:

$\vec{F}_{12} + \vec{F}_{13} + \vec{F}_{23} = 0,$

или — в проекциях на оси координат $X$ и $Y$ (после подстановки соответствующих абсциссных значений и сокращения на $\Delta l$ ) —

$\sigma_{13} = \sigma_{12} \cos \theta_1 + \sigma_{23} \cos \theta_2,$

( $*$ )

$\sigma_{12} \sin \theta_1 = \sigma_{23} \sin \theta_2.$

Здесь $\theta_1$ и $\theta_2$ — углы касательными к поверхности капли жидкости 2 и поверхностью жидкости 1, их называют краевыми уелами.

Из равенства (*) видно, что равновесие капли возможно в том случае, если коэффициенты поверхностного натяжения связаны определенным соответствием:

$\sigma_{13} < \sigma_{12} + \sigma_{23}.$

Поскольку поверхность является в жидкости малая зависит от присутствия над жидкостью газообразной среды, практические можно считать, что

$\sigma_{13} = \sigma_1 \text{ и } \sigma_{23} = \sigma_2.$

Величины $\sigma_1$ и $\sigma_2$ называют коэффициентами поверхностного натяжения

Жидкость 1 и 2 соответственно; в нашем случае — это коэффициенты поверхностного натяжения бульона и жира.

Таким образом, капля жира будет плавать на поверхности бульона, не растекаясь, если коэффициент поверхностного натяжения бульона меньше суммы коэффициентов поверхностного натяжения жира и границы раздела бульон — жир:

$\sigma_1 < \sigma_2 + \sigma_{12}.$

В частном случае, когда капля очень тонкая (почти плоская), углы $\theta_1$ и $\theta_2$ малы ( $\theta_1 = \theta_2 = 0$ ) и условие равновесия капли имеет вид:

$\sigma_1 = \sigma_2 + \sigma_{12}.$

При

$\sigma_1 > \sigma_2 + \sigma_{12}$

не существует значений углов $\theta_1$ и $\theta_2$ , для которых выполнялось бы равенство (*). Это означает, что в этом случае жидкость 2 не собирается в каплю на поверхности жидкости 1, а растекается по ней тонким слоем.

Тепер постараемся обьясить результаты опытов с ложкой бульона. Капли жира плавают на поверхности бульона, значит, выполняется соответствие (**). Почему же при уменьшении бульона в ложке капли расплывается по его поверхности, увеличиваясь в размерах? Что при этом изменяется?

Предлагаем такое обьясение. Коэффициенты поверхностного натяжения жира $\sigma_2$ и границы раздела бульон — жир $\sigma_{12}$ остаются неизменными. Остается допустить, что при выливании части бульона из ложки изменяется коэффициент поверхностного натяжения бульона $\sigma_1$ . Но бульон (в первом приближении) — это вода. Разве может измениться коэффициент поверхностного натяжения воды, если уменьшить количество воды в сосуде? По-видимому, нет. Правда, бульон — это не просто вода, а вода, покрытая тонким слоем жира. Выливая из ложки бульон, мы выливаем и часть жира, так что толщина слоя жира, покрывающего бульон, уменьшается. Это, оченьindo, и приводит к увеличению коэффициента поверхностного натяжения бульона. В ре-

зультате капли жира расползаются по поверхности бульона.

Для проверки предлагаем вам самостоятельное проверти такой опыт. В чистое блюдце (без следов жира) наберите чистой водопроводной воды. Tonкой пипеткой или трубкой (можно использовать чистый стержень от шариковой авторучки) капните на поверхности воды чут-чут подсолнечного масла. Вы увидите, что первая капля полностью растется по поверхности воды. Следующее капли уже не растется, а образуют чечевцы. Аккуратно вылейте часть воды — капли расползятся по ее поверхности.

В заключение вернемся еще раз к опитам с ложкой бульона. Внимательно наблюдая за поведением капелек жира, вы сможете заметить очень любопытные явления разрывов и восстановления капель.

На рисунках 2—8 представлены фотографии результатов одного из таких экспериментов. В чистую стеклянную чашку мы налили водопроводной воды, подкрашенной синею (не содержащей спирта). Слегка смоченной подсолнечным маслом стеклянной трубкой осторожно коснулись поверхности воды и получили восемь маленьких капель (см. рис. 2). Затем резиновой грушей отобрали немного воды из чашки — все капли увеличились в размерах. После следующего такой операции капли увеличились еще заметнее, при этом они несколько исказились по форме (из-за течения воды) и на них появились зародыши разрывов (см. рис. 3).

Все дальнейшие изменения происходили самопроизвольно, без постороннего внешательства. Вначале разрывы в каплях росли, затем сливались в один большой разрыв — капля превращалась в колью. Наконец, это колью разрывалось и вновь стягивалось в каплю (см. рис. 4—8).

Неправда ли — действительное стоит понаблюдать за ложкой бульона, прежде чем отправить ее в рот!