ЗАВИСИМОСТЬ УСЛОВИЙ ПЛАВАНИЯ ТЕЛА ОТ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДЫ

Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих процессов в технике и природе: флотация, пропитка пористых материалов, нанесение покрытий, моющее действие растворов, порошковая металлургия и пайка. [1, с. 45]

Известно, что легкое тело может держаться на поверхности жидкости благодаря поверхностному натяжению. Было проведено экспериментальное исследование условия плавания тел (рис.1) в воде и водных растворах моющих средств.

Рисунок 1. Канцелярские скрепки на поверхности воды

Для того, чтобы скрепка «поплыла», очень важно опускать её медленно и строго горизонтально. Если скрепка «входит» в воду под углом или резко опускается в неё, то поверхностная плёнка рвётся, и скрепка не может удержаться на воде.

В исследовании задействовано два вида канцелярских скрепок (скрепки с пластиковым покрытием и металлические) с тремя разными размерами длин (короткая металлическая – 8,5 см, длинная металлическая – 19 см, короткая с пластиковым покрытием – 9 см). Все исследуемые скрепки находятся на поверхности воды. Однако, в самих расчетах задействованы короткие скрепки с пластиковым покрытием и металлические.

• Масса одной скрепки определена по следующей формуле:

M – масса скрепок;

N – количество скрепок.

Определение массы проведено с использованием весов «Pro 300» с точностью измерения до 0,01 грамма.

• Диаметр скрепки определен с помощью микрометра FD 50 с точностью измерения до 0,001 мм.

• Объем скрепки вычислен с использованием мензурки. Вычисление производилось с учётом погрешности измерения по следующей формуле:

V – объём одной скрепки;

 – объём в воды с добавление в мензурку N скрепок;

 – начальный объём воды.

N – Количество скрепок.

• Сила Архимеда рассчитана с тем условием, что в воду погружена только половина объёма скрепки, поскольку в наличии нет специального оборудования для точного измерения погружения. Данные вычисления можно считать грубой оценкой, однако их сравнение с известными данными говорит о том, что такая оценка достаточно точна.

 – сила Архимеда;

 – плотность жидкости;

 – ускорение свободного падения;

 – объём погружения.

Таблица 1.

Результаты расчетов и измерений

Во время исследования была предложена оценочная формула расчета поверхностного натяжения жидкостей:

Таблица 2.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей

Расхождение данных для воды обусловлено тем, что в табличных данных указаны значения для чистой дистиллированной воды.

Для построения графика зависимости нахождения скрепки в водном пространстве от количества капель моющего средства («Fairy» и «Миф») был проведен опыт. В стакан с водой объёмом 300 мл каждые 3 секунды добавлялась 1 капля моющего средства (использован шприц).

При добавлении в стакан с водой 327 капли моющего средства «Fairy», скрепка начинает заваливаться. С каждой новой каплей (рис.2) угол завала постоянно увеличивается. После добавления 375 капли скрепка идет ко дну.

Рисунок 2. Графики зависимостей нахождения скрепок в водном пространстве от количества капель моющего средства

Был введен новый термин – «положение завала». Положение завала указывает интервал капель моющего средства, при котором скрепка не тонет, но и не находится в строго горизонтальном положении на поверхности воды.

При добавлении в стакан с водой 294 капли моющего средства «Миф», скрепка начинает заваливаться. Для данного моющего средства положение завала начинается с 294 капли и длится по 347.

Положение завала имеет разные значения для каждого моющего средства. Это связано с тем, что коэффициент поверхностного натяжения зависит от содержания поверхностно-активных веществ.

В данной исследовательской работе определена масса, которую может выдержать скрепка, находясь (рис.3) на поверхности воды (примерно 200 мг). Зная массу тела, можно рассчитать коэффициент поверхностного натяжения.

Рисунок 3. Скрепка находится на поверхности воды с добавлением груза

В заключение хотелось бы отметить, что существует много способов определения поверхностного натяжения, такие как: метод Вильгельми, метод Падди, метод счета капель, метод висячих пузырей и многие другие. [2] Стоит обратить внимание на метод, описанный в данной работе, поскольку он имеет право на существование и дальнейшее применение.  

Таким образом, в данной работе изучено влияние коэффициента поверхностного натяжения на условия плавания тел. Идеи работы также можно использовать в лабораторных работах по физике.

Список литературы:

1. Вильмер Я.М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Минск: Вышэйш. Школа, 1976. – 45с.
2. Волков В.А. Коллоидная химия [Электронный ресурс] // Поверхностные явления и дисперсные системы: сайт. – URL: http://www.xumuk.ru/colloidchem/ (дата обращения: 19.05.2017)