22
Капилляры и смачивание
Доктор физико-математических наук
А. А. БОРОВОЙ
Вы решили уехать загород. Собрали вещи, смотрите, не забыто ли что. И вот… на окне горшки с цветами. Захватить их с собой невозможно, и нет никакого, кто мог бы поливать цветы в ваше отсутствие. Что же предпринять? Наполнить водой поддоны цветочных горшков? Такой способ поливки годится не для всех растений — многое из них не терпят переизбытка влаги. А главное, он рассчитан на небольшой срок — несколько дней, неделю.
Вопрос этот не новый. Цветоводы давно придумали самые разные конструкции «автоопилок», которые действуют надежно и долго и даже дозируют воду для поливки цветов.
Простейшую автопилку (рис. 1) можно легко сделать самим. Воду наливают во вместельный сосуд, накрытый крышкой. В этот сосуд опускают один конец труго свернутого жгута из марли, другой его конец закапывают в землю. Вода поступает к растению по жгуту, причем скорость ее поступления можно отрегулировать, изменяя толщину жгута, его наклон и т. п. Жгут следует поместить внутри резиновой трубки, тогда вода будет меньше пропливаться и испарться по дороге к цвету.
И в жгуте, и в земле, наполняющей горшок, и частично в сами растениях вода движется и удерживает за счет явления, которое называют капиллярноостью.
Капилляр — это тонкая трубка, общую ее внутренний диаметр меньше одного миллиметра. Если капилляр, сделанный из чистого стекла, опустить в сосуд с водой, то уровень жидкости в нем будет выше, чем в сосуд (рис. 2). Чем тонше трубка, тем больше эта разница. Происходит это вследствие смачивания водой чистого стекла. В широком стеклянном сосуде поверхность воды лишь изгибается у самых стенок.
В почве капилляры образуются между ее частичками. Благодарям влага может подниматься на значительную высоту: до 2 метров в песке, а в чистой глине — значительно выше. Процесс идет медленно и длится иногда несколько недель и даже месяцев. (Попробуйте самостоятельно придумать и провести эксперименты, в которых можно было бы наблюдать
23
подъем воды в капиллярах почвы.)
Если внутренняя поверхность трубки не смачивается жидкостью, то в капилляре уровень ее ниже, чем в широком сосуде (рис. 3). Изменится и форма поверхности жидкости у стенок сосуда.
Интересно, что смачивание (или несмачивание) определяет, как поведет себя капля жидкости на поверхности другой жидкости. Например, капля подсолнечного масла или керосина растекается по воде тончайшим слоем, вплоть до мономолекулярного (то есть толщиной всего в одну молекулу!) Такое поведение смачивающих жидкости позволяет позволило английскому физику лорду Рэлею оценить размер одной молекулы.
На большую поверхность воды он помещал капельку оливкового масла и сначала убеждался в том, что масляное пятно покрывает поверхность равномерным слоем, без масляных «бляшек» и «окошек» воды. Для этого Рэлей использовал маленькие кусочки камфары. Если такой кусочек попадает на поверхности воды, он начинает «метаться». Дело в том, что в воде камфара расторяется и при этом поверхность натяжение воды уменьшается. Но расторение происходит неравномерно: с одной стороны частички быстрее, с другой — медленнее, и на кусочек камфары начинает действовать разность сил поверхностного натяжения, вызвывающая его движение. Вы легко можете наблюдать это явление, только для того чтобы опит прошел удачно, надо не касаться воды и кусочков камфары руками (лучше всего их сокабливать ножом прямо над поверхностью воды). А вот в масле камфара не расторяется и ведет себя спокойно.
Итак, убедившись в однородности масляной пленки, ученый определял радиус пятна и находил его толщину :
где — объем капли масла. Если предположить, что капля растекась в мономолекулярный слой, то толщина пятна — это характеристир размер молекулы масла. Получилась величины, близка к м.
Смачивание очень часто приходит нам на помощь: мы смазываемрушися части машины, жидкая смазка обволкаивает поверхность металла и удерживает на ней; расплавленное olвоо смачивает чистую медь, латунь, алюминий при пайке; клей растекается по поверхности склеиваемых материалов.
Практические во всех старинных осветительных приборах, начиная от древних светильников, в которых фитилек был погружен в нефть, растительное масло или жир, и кончая керосиновыми лампами, тоже использовалось явление смачивания: горючее вещество поднималось по капиллярам фитилля и постепенно сторало.
Наблюдение такого необучного поведения жидкости, когда она движется против сил тяжестей, вдохновляло многоих изобретателей на создание Perpetuum mobile — вечного движения, который использовал бы свойства капилляров. Проекты были весма разнообразными и появлялись не только в древности или в средние века, но даже и в начале XX века. Чаще всего идея заключалась в следующем: по фитиллю жидкость (объчно вода) должен быть подниматься из нижнего сосуда в верхний, а там уже по трубке или lotку стекать вниз, приводя в
24
движение водяную меллиццу (рис. 4).
Вопрос о том, почему фитиль, сумевший поднять воду на какую-то высоту, друг потеряет свойство впитьвать и удерживать жидкость и беспрерывенно отдract ее в верхнем сосуде, изображатель как-то не тревожил.
Сamo устройство не только не работало вечно, но и вообще не работало.
Совершенно особую роль играет смачивание в условиях невесомости.
Вот что рассказывал летчик-космонавт А. А. Серебров*:)
«Представьте задачу: напить жидкость в сосуд без потеря. На космическом корабле вода подается из крана порциями по 25 см³. Представленные сами себе, эти порции собираются в шаровидные капли, как и положено в невесомости; эти капли в результате разных случайных воздействий потом дробятся на меньше…
Если действовать как на Земле и напивать воду из крана в горлышко сосуда, то она станет выталкивать из сосуда воздуха, в котором взвешены капли разного размера, — иными словами, будет сама же себя выталкивать.
Если же струю с малой скоростью направить сразу на стенку сосуда, то вода, смачивая стенку, приппает к ней. Тогда взвешенных капель не будет — по крайней мере, до тех пор, пока сосуд не встряхивают. Таким способом можно без потеря напить жидкость в сосуд.
*) Здесь приведен ответок из интервью А. А. Сереброва журналу «Квант» (см. аппельский номер. за 1983 год).
ПОЛЕТ
к Солнцу
(Начало см. на с. 18)
Солнца. Еще одна коррекция, уже после облега Юпитера, позволяет последнее погрешности и точно задать расстояние, на котором автоматически станция пройдёт около Солнца.
Одна из ключевых идей этого способа — изменение скорости космической станции при слияжении с промежуточной планетой — уже использовалась в практике космических полетов. Последний тому пример —
сближение с Венерой космических аппаратов «Вега», которые после этого направились к комете Галлея.
Нам нужно помнить физические явления, произходящие на Солнце. Все следствия этих знаний предсказать невозможно. Вспомним для сравнения эпоху великих географических открытий, когда человекство знакомилось со своей планетой. Не исключаено, что нашей времени в будущем назовут эпохой великих космических открытий. Первый полет к Солнцу станет, несомненно, одним из ее украшений.