Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

дальнодействующие силы :

а) сила тяжести;

б) притяжение соседей (только в пределах нескольких диаметров молекул);

короткодействующие силы :

в) сильное отталкивание во время столкновений с соседями (на расстоянии долей диаметра молекулы).

Для описания поведения молекул вряд ли стоит применять термин «равновесие», но все же можно сказать, что в покоящейся жидкости каждая молекула в среднем находится в равновесии.

Фиг. 119. Коротко- и дальнодействующие силы.

а— силы тяготения (очень малы); б— дальнодействующее притяжение соседей; в— короткодействующее отталкивание ори столкновении; г— равнодействующая поверхности; в— поверхность должна быть расположена равнодействующей дальнодействующих сил притяжения.

На любую молекулу на поверхности жидкости короткодействующие силы действуют со всех сторон и снизу, поэтому равнодействующая будут перпендикулярна поверхности. Равнодействующая дальнодействующих сил, которая уравновешивает эти короткодействующие силы, должна иметь противоположное направление, а следовательно, она также будет перпендикулярна поверхности. Из последнего утверждения следует и обратное — поверхность должна быть перпендикулярна равнодействующей сил притяжения, в противном случае все силы перемещали бы поверхность, пока она не приняла бы этого положения. (Конечно, в молекулярном масштабе сама поверхность исчезает в хаосе беспорядочных движений, подобно границе толпы. Она представляется гладкой, только когда ее рассматривают издалека.) Две из названных сил действуют на поверхность и меняют свое направление, когда поверхность изгибается. Это — короткодействующее отталкивание и дальнодействующее притяжение соседей. Третья сила — земное притяжение — всегда направлена вертикально вниз. В большом пруду основное направление задается силой тяжести, которая превращает всю поверхность в горизонтальную плоскость; поэтому две другие силы также вертикальны. На молекулы же, расположенные вблизи твердой стенки или на поверхности небольшой искривленной капли, притяжение соседей влияет намного больше, чем сила тяжести. Поэтому для объяснения искривленного мениска или краевого угла силой тяжести можно пренебречь. Просто говорят: «Поверхность располагается перпендикулярно равнодействующей сил притяжения, которые действуют на молекулу, находящуюся на поверхности».

Краевой угол и молекулярные силы

Чтобы объяснить природу краевого угла с точки зрения молекулярных сил, рассмотрим силы притяжения, действующие на молекулу С , которая находится в том месте, где лужица жидкости соприкасается с твердым столом (фиг. 120).

Фиг. 120. Силы, действующие на молекулу, находящуюся на краю небольшой лужицы жидкости.

Лужица находится на столе, который сильно притягивает молекулы жидкости. 1— короткодействующие силы; 2— дальнодействующее притяжение.

Во-первых, на нее действует притяжение соседей, находящихся внутри слоя жидкости; равнодействующая этих сил равна F 1и направлена по биссектрисе угла клина (направление подсказано симметрией). Во-вторых, ее притягивают молекулы твердого стола с равнодействующей F 2, которая перпендикулярна столу (снова по соображениям симметрии).

Векторное сложение сил F 1и F 2и дает их равнодействующую R ; поверхность жидкости должна расположиться перпендикулярно R .

Это схематически изображено на фиг. 120, где F 1дано намного меньше F 2, чтобы показать, что молекула С притягивается своими собратьями меньше, чем столом. В таком случае краевой угол невелик и жидкость смачивает стол. Можно сказать, что сильно притягивающий стол побуждает жидкость растекаться. Таким образом, смачивание зависит от относительной силы молекулярного притяжения. Если молекулы жидкости притягиваются молекулами твердого тела сильнее, чем соседними молекулами самой жидкости, жидкость будет смачивать стол и растекаться.

С другой стороны, если молекула жидкости предпочитает своих собратьев молекулам стола, силу F 1следует нарисовать больше F 2и картина примет такой вид, как на фиг. 121, где показан большой краевой угол. Для «водоотталкивания», по-видимому, требуется, чтобы молекулы жидкости испытывали со стороны соседних молекул стола меньшее притяжение, чем со стороны соседних молекул жидкости.

Фиг. 121. Силы, действующие на молекулу, находящуюся на краю небольшой лужицы жидкости.

Лужица находится на столе, который слабо притягивает молекулы жидкости.

Водоотталкивание и смачивание

Таково молекулярное объяснение смачивания и краевого угла.

Объяснение? Разве это не просто волшебная сказка, выдуманная для того, чтобы свести концы с концами? Нет, это объяснение совсем не так плохо, поскольку оно основано на молекулярных представлениях, которые используются в других областях физики и химии. Кроме того, оно позволяет сделать полезные рекомендации:

1) Для улучшения смачивания (мечта прачек) надо сделать F 2больше, чем F 1, т. е. надо, чтобы молекулы жидкости притягивались твердым телом сильнее, чем своими соседями. Это можно осуществить, применяя молекулы-посредники, которыми на практике являются молекулы мыла. Таким образом, мы раскрыли секрет мыла и указали путь к созданию новых синтетических моющих средств.

2) Чтобы увеличить краевой угол (надежда изготовителей плащей), надо покрыть текстильное волокно каким-либо веществом, для которого F 2мало по сравнению с F 1. На вопрос: «Какой толщины должно быть покрытие?» (еще одна забота изготовителей плащей) — примечание на стр. 195 отвечает, что достаточно очень тонкого слоя, толщиной в несколько молекул. (На вопрос: «Какова толщина молекулы?» — дан ответ в этой главе.)

3) В тех случаях, когда роль поверхностных сил велика, жидкость с небольшим краевым углом ( F 2больше F 1) будет расползаться вдоль твердой поверхности, даже карабкаясь вверх. Это особенно заметно, когда жидкости поднимаются в очень узких трубках; «капиллярность» — полезное свойство жидкостей, и мы сейчас его разберем.

Капиллярность

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ОПЫТ