Копытин Владислав команда г. Воронеж
• Канцелярскую кнопку можно аккуратно положить на поверхность воды. Исследуйте характер взаимодействия двух плавающих кнопок, а также двух разнородных, близких по размеру плавающих предметов. Можно ли добиться эффекта отталкивания предметов?
Цель работы: § Выявить причины взаимодействия кнопок на поверхности жидкости § Определить параметры, от которых зависит характер взаимодействия
Молекулярное строение жидкостей и их свойства: rмол. F На молекулу в поверхностном слое жидкости со стороны окружающих молекул действует результирующая сила, направленная вглубь жидкости. На молекулу на поверхности жидкости со всех сторон действует не одинаковое число молекул, поэтому результирующая не равна нулю. На молекулу в глубине жидкости со всех сторон действует одинаковое число молекул, поэтому результирующая равна нулю.
Поверхностное натяжение L F Стремление жидкости к сокращению своей поверхности можно описать количественно с помощью сил поверхностного натяжения и коэффициента поверхностного натяжения. Так как жидкость стремится сократить свою поверхность, то вдоль всей длины контура L выделенный участок действует на остальную часть поверхности с силой, направленной по касательной к поверхности (в нашем случае в плоскости) и перпендикулярной к контуру на каждом элементе этого контура.
Коэффициент поверхностного натяжения l F Сила поверхностного натяжения, действующая на малый участок контура длиной ∆ равняется: ∆F = ∆ , где – коэффициент поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит: 1. От природы жидкости (то есть от сил притяжения между молекулами данной жидкости); 2. От температуры; 3. От концентраций растворенных веществ. Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от величины поверхности.
Смачивание - явление, возникающее при взаимодействии жидкости с поверхностью твердого тела при их контакте, обусловленное силами притяжения и отталкивания молекул жидкости и твердого тела. Искривленная поверхность жидкости в узких цилиндрических трубках или около сосуда называется мениском. Степень искривления свободной поверхности характеризуется краевым углом. Для жидкости, смачивающей поверхность твердого тела, краевой угол θ острый: . ; чем лучше смачивание, тем меньше θ. Для полного смачивания θ = 0. Для несмачивающих жидкостей краевой угол тупой и изменяется в пределах: при полном несмачивании θ =
Несмачивающая θ Смачивающая θ легкое тело θ θ тяжелое тело
• Если тело небольших размеров, необходимо учитывать силу поверхностного натяжения. • Из за присутствия этой силы тело может держаться на поверхности воды, даже если сила Архимеда меньше силы тяжести
X O Здесь поверхность искривлена сильнее всего Если имеются 2 не смачиваемых тела, то при достаточно близком расстоянии между ними поверхность становится ниже, чем между телами и стенкой. Изменяется направление силы поверхностного натяжения и тела начинают притягиваться. Y
X O Здесь поверхность искривлена сильнее всего - краевой угол Y
X O Y Если имеются 2 смачиваемых тела, то при достаточно близком расстоянии между ними поверхность становится выше, чем между телами и стенкой. Изменяется направление силы поверхностного натяжения и тела начинают притягиваться.
X O Y Если тела по-разному смачиваются, то поверхность принимает такую форму, что горизонтальная составляющая равнодействующей все сил поверхностного натяжения будет направлена в сторону отталкивания
Опыты: притяжение
Опыты: притяжение
Опыты: притяжение
Опыты: отталкивание
Результаты наблюдений Плавучесть Расстояние взаимод. , мм Эффект Две металлические кнопки - 15 Притяжение Две пластиковые кнопки - 15 Притяжение Две деревянные пробки + 5 Притяжение Две пластиковые крышки + 10 Притяжение Две металлические иголки Металлическая кнопка и пластиковая крышка Пластиковая кнопка и пластиковая крышка Металлическая иголка и деревянная пробка - 5 Притяжение -/+ 10 Отталкивание -/+ 8 Объект взаимодействия Металлическая иголка и пластиковая крышка Отталкивание
Вычисление силы Архимеда, действующей на тело: h
Вычисление силы поверхностного натяжения действующей на тело: ∆Fпов. = ∆ α r
Вычисление угла наклона поверхности
Определение угла наклона поверхности.
Определение угла наклона. β h γ h ∆x
Измерение силы взаимодействия кнопки и стенки сосуда. F=1, 5 *10 -4
Измерение силы притяжения кнопок:
Сила притяжения двух кнопок.
Зависимость расстояния между кнопками от времени x, м t, c
Зависимость силы притяжения между кнопками от расстояния между кнопками F, Н x, м
Зависимость угла φ от расстояния между кнопками φ x, м
Выводы: • Тела на поверхности взаимодействуют за счет изменения направления силы поверхностного натяжения • Если оба объекта создают локальное понижение/повышение уровня воды, то они притягиваются. • Если один объект создает повышение, а другой понижение – они отталкиваются.
Спасибо за внимание!
