Chuyện gì đang xảy ra ở biên giới

22

Chuyện gì đang xảy ra ở biên giới

Trong khóa học vật lý ở trường, không có nhiều thời gian dành cho những gì xảy ra ở bề mặt tiếp xúc của chất lỏng với môi trường khác - sức căng bề mặt, sự làm ướt, hiện tượng mao dẫn. Đồng thời, đi kèm với điều này là một điểm được bao quanh. Bây giờ, bạn dùng que xà phòng hoặc chỉ một miếng xà phòng chạm vào giữa điểm này - vết đó vỡ ra và biến thành một vòng mỏng. Một lần nữa, tâm của nó được chạm vào bằng một chiếc lông vũ (bạn có thể sử dụng mực có màu khác), sau đó sử dụng que xà phòng, v.v. Một vật trang trí gồm các vòng đậm đặc nhiều màu xuất hiện trên mặt nước (Hình 2). Chỉ cần cẩn thận đặt giấy thấm lên trên và các họa tiết màu đỏ sẽ chuyển sang đó.

Kinh nghiệm này đã tìm thấy ứng dụng thực tế. Với sự giúp đỡ của nó, ở Nhật Bản họ sản xuất giấy với nhiều mẫu mã đa dạng.

Các thí nghiệm được mô tả sẽ dễ hiểu nếu bề mặt của chất lỏng được coi là một thanh bị kéo dãn. Một mô hình như vậy lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý nổi tiếng người Anh Thomas Young. Vào tháng 12 năm 1804, Jung viết một bài báo trong đó giải thích hoạt động của chất lỏng trong mao quản bằng cách sử dụng phép loại suy “bề mặt chất lỏng – màng đàn hồi”. Chẳng bao lâu mô hình, được xác nhận bởi những quan sát mới, đã được chấp nhận rộng rãi.

Vì vậy, bề mặt của nước sạch là một màng căng, còn nước xà phòng hoặc nước màu cũng là một màng tương tự nhưng kém đàn hồi hơn. Kết quả là, nước của kế hoạch trở nên xà phòng hoặc có màu, kéo theo “tên lửa” hoặc một vòng được bao quanh bởi mực.

Có nhiều cách để xác định bằng thực nghiệm mức độ “đàn hồi” của màng bề mặt - cái gọi là hệ số

23

ta sức căng bề mặt σ.
Một trong những cách đơn giản nhất là sử dụng giọt nước mắt. Nếu bạn lấy một pipet có vòi kéo ra và sau khi đổ đầy nước, cẩn thận và từ từ bắt đầu vắt ra một giọt, bạn có thể quan sát xem nó tăng dần kích thước, thay đổi hình dạng và cuối cùng, thoát ra khỏi pipet (Hình 3).

Lưu ý rằng giọt nước chỉ rơi ra khi đạt đến kích thước nhất định. Chỉ cần giọt nước không đủ lớn, sức căng bề mặt sẽ giữ giọt nước ở đầu pipet. Rõ ràng là tại thời điểm tách ra, trọng lực mg của giọt nước có độ lớn bằng lực căng bề mặt F: mg=F. Hoặc (ví dụ, xem § 28 của sách giáo khoa “Vật lý 9”, M., “Prosveshchenie”, 1982)

$$mg=2\pi r\sigma$$

trong đó r là bán kính của cổ được tạo thành bởi giọt nước trước khi tách.

Bằng cách đếm, chẳng hạn như 100 giọt nước và sử dụng thang đo để tìm tổng khối lượng M = 100 m của chúng, bạn có thể xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng:

$$\sigma=\frac{mg}{2\pi r}=\frac{Mg}{200\pi r}$$

Nhưng thật không may, nó rất không chính xác.

Thứ nhất, không dễ để thay đổi bán kính của cổ (thông thường, đối với vết rách này, một chế độ xem phóng to sẽ được chiếu lên màn hình và các phép đo đã được thực hiện ở đó). Thứ hai, việc tách một giọt hóa ra là một quá trình phức tạp hơn là chỉ đơn giản bẻ cổ (đặc biệt, đồng thời với giọt chính, một giọt nhỏ được hình thành). Có một số nguồn sai số khác trong thí nghiệm này. Tuy nhiên, nếu chúng ta chỉ muốn xác định bậc độ lớn của σ hoặc so sánh định tính sức căng bề mặt của nước tinh khiết và dung dịch xà phòng, thì sóng được phép sử dụng pipet và bán kính của cổ được coi là bằng bán kính trong của mũi pipet (ví dụ, có thể đo được cái sau bằng cách sử dụng một sợi dây có độ dày nhất định vừa khít với pipet).

Để tham khảo, chúng tôi trình bày các giá trị của σ theo đơn vị SI cho một số

Gợn sóng trên mặt nước và cách dập tắt

Hóa ra, do lực căng bề mặt, cái gọi là sóng mao dẫn (tức là gợn sóng trong nước) phát sinh. Chúng có thể được quan sát bằng cách sử dụng cùng một pipet. Đổ đầy nước vào đĩa và giữ pipet ở một khoảng cách ngắn so với bề mặt của nó, nhỏ giọt nước - sóng đồng tâm lan truyền nhanh sẽ là sóng căng thẳng bề mặt. (Nói chung, cơ chế hình thành và truyền sóng trên mặt nước không hề đơn giản. Ở đây có sự tham gia của cả hiện tượng trọng lực và hiện tượng bề mặt. Nhưng để giải thích nguồn gốc của những gợn sóng nhỏ, hoàn toàn có thể sử dụng mô hình màng đàn hồi.)

Sóng trên mặt nước ở Kvanite, bao gồm cả trong Phòng thí nghiệm Kvanite, đã được nhắc đến nhiều lần. Ví dụ, anh ấy khuyên bạn nên đọc các bài báo sau: S. Soskin, “Sóng mao dẫn trong một chuỗi” («Kvant», 1976, số 10); E. Kuznetsov, A. Rubenchik, “Trên sóng biển và gợn sóng trên vũng nước” («Kvant», 1980, số 9).

Có một truyền thuyết kể rằng vào thời cổ đại, những người thợ lặn ngọc trai, những người đã thêm nó từ Biển Aegean, đã thêm nó vào loại dầu ô liu khó chịu trước khi lặn. Do đó, khi đã ở phía dưới, dầu tiết ra, dầu này nổi lên trên bề mặt và tạo thành một “cửa sổ” yên tĩnh, phá hủy các gợn sóng trên bề mặt. Thâm nhập xuyên qua

24

Ánh sáng “cửa sổ” cho phép người LOB định hướng dưới đáy biển tốt hơn.

Đây là một quan sát thú vị khác. “Khi thời tiết lặng gió, những hình dạng đặc biệt gợi nhớ đến moire hiện rõ trên mặt biển… Nhìn kỹ, có thể dễ dàng nhận thấy rằng các gợn sóng xuất hiện trên nền có màu sáng hơn và các điểm và sọc sáng hơn trên nền này tương ứng với các khu vực mặt biển nơi những gợn sóng này bị dập tắt,” nhà địa vật lý nổi tiếng của Liên Xô, Viện sĩ V.V. Shuleikin. Dưới sự lãnh đạo của ông, các thí nghiệm đã được thực hiện để đo hệ số sức căng bề mặt của nước biển bằng phương pháp tách hình nón (ví dụ, xem bài thí nghiệm số 2 trong Vật lý 9). Họ chỉ ra rằng ở những nơi tồn tại gợn sóng, hệ số này giống như nước tinh khiết và ở khu vực có các đốm sáng thì hệ số này nhỏ hơn đáng kể. Từ đó người ta kết luận rằng những gợn sóng trên mặt biển bị làm ẩm bởi màng mỡ hoặc một số chất khác. Đúng, giải thích điều này hóa ra không hề dễ dàng.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bề mặt màng bị hư hại chủ yếu do sóng nhỏ, nhưng chúng cũng có thể ngăn chặn sự xuất hiện của bọt trên đỉnh sóng khi có bão. Và sự “trợ giúp” tương đối khiêm tốn này có thể đóng một vai trò nào đó: “để luyện tập, điều quan trọng là chỉ dập tắt những rặng núi sủi bọt, đôi khi gây nguy hiểm nghiêm trọng cho con tàu, hoặc thậm chí còn hơn thế nữa cho chiếc thuyền đang hạ thấp” (V.V. Shuleikin).

Giọt nước có hình dạng gì?

Đáp số câu hỏi này phụ thuộc vào một số trường hợp. Nếu mọi thứ chỉ được xác định bởi sức căng bề mặt, thì giọt nước sẽ luôn có hình dạng mà bề mặt của nó nhỏ nhất, tức là hình dạng của một quả bóng. Trong điều kiện của trọng lực, dưới tác dụng của trọng lực, các giọt thường bị xẹp xuống; chỉ những giọt rất nhỏ sẽ vẫn còn hình cầu. Có thể loại trừ lực hấp dẫn và bù lại nó bằng một lực khác không?

Năm 1843, nhà vật lý người Bỉ Plateau đã thực hiện một thí nghiệm đã sớm mang tên ông và được đưa vào tất cả các sách giáo khoa vật lý. Plato đã chọn nồng độ của dung dịch rượu trong nước sao cho mật độ của dung dịch bằng với mật độ của dầu ô liu và đưa một giọt dầu vào dung dịch. Trong trường hợp này, lực nổi Archimedean cân bằng trọng lực của giọt nước và sức căng bề mặt là do hình cầu của nó.

Điều thú vị là ở trạng thái không trọng lượng, bạn có thể thu được những quả bóng lớn chứa nhiều chất lỏng khác nhau. Ví dụ, những giọt như vậy được quan sát thấy trong các thí nghiệm hàn điện trong không gian. Chúng bao gồm kim loại nóng chảy.

Ở nhà, bạn có thể lặp lại trải nghiệm Plateau bằng cách sử dụng dầu thầu dầu và nước. Mật độ của dầu nhỏ hơn mật độ của nước một chút, vì vậy nếu bạn thả nước sạch vào đó, những giọt nước rơi từ từ sẽ có dạng hình cầu thực tế. Những giọt nước có thể dễ dàng được sơn bằng nhiều màu khác nhau bằng màu nước, sau đó một hình ảnh xuất hiện trong cốc dầu giống như những quả bóng nhiều màu (xem trang 1 của bìa).

Một thí nghiệm khó khăn hơn nhưng cũng hiệu quả hơn được thực hiện với nhựa epoxy lỏng và dung dịch muối. Bằng cách đổ muối vào đáy lọ, bạn có thể thu được dung dịch có nồng độ giảm theo chiều cao và do đó mật độ giảm. Trong dung dịch như vậy, một giọt nhựa sẽ xuất hiện ở một độ cao nhất định. Kết quả của các lần thả sẽ do người đọc tự lựa chọn.

Dấu vết từ một giọt nước cao

Một trong những điều bí ẩn thoạt nhìn có liên quan đến hiện tượng làm ướt, xảy ra khi một giọt dung dịch nào đó khô lại. Chúng ta hãy thực hiện thí nghiệm đơn giản này - đặt những giọt dung dịch muối (không đậm đặc lắm) lên một tấm thủy tinh và để chúng nổi lên. Đương nhiên, những đốm muối nhẹ hơn sẽ hình thành thay cho những giọt nước. Vậy điều bí ẩn là muối