Физика 8. Смачивание и капиллярность. Поверхностное натяжение

Исторические источники расписания: schedules/daily/2026-09-17.md (SHA-256: c3d9e0196d537440748e5ca58cba0978bb26ac94ccf0f65a2b5d5affa4acc931); schedules/personal/2026-09-17.md (SHA-256: 719974dbac08a89ee70bbbd6bab2d42d7609b22ba9b605dcac5f2c4c6b21cb3b). Файлы удалены 05.10.2026 по указанию пользователя; даты и учебный материал сохранены.

Главная мысль урока

Поверхность жидкости ведёт себя так, будто покрыта натянутой упругой плёнкой. Поэтому капли стремятся стать круглыми, вода по-разному взаимодействует со стеклом и воском, а в очень тонких трубках жидкость может подниматься или опускаться.

Почему возникает поверхностное натяжение

Молекулы внутри жидкости притягиваются соседними молекулами одинаково во все стороны. Молекулы на поверхности не имеют соседей сверху, поэтому результирующая сила притяжения направлена внутрь жидкости. Поверхность стремится уменьшить свою площадь.

Поверхностное натяжение — свойство поверхности жидкости сокращаться и уменьшать свою площадь.

Сила поверхностного натяжения действует вдоль поверхности жидкости, по касательной к ней. Для подвижной перемычки длиной \(l\) она равна

\[ F = sigma l, \]

где \(F\) — сила поверхностного натяжения, \(sigma\) — коэффициент поверхностного натяжения. Единица \(sigma\) — ньютон на метр:

\[ [\sigma] = \frac{\text{Н}}{\text{м}}. \]

Чем больше коэффициент \(sigma\), тем сильнее жидкость сопротивляется увеличению своей поверхности. У воды при комнатной температуре поверхностное натяжение заметно выше, чем у спирта.

Смачивание и несмачивание

Смачивание происходит, если жидкость растекается по поверхности твёрдого тела. Так вода смачивает чистое стекло: капля расплывается, а у стенки сосуда поверхность жидкости слегка поднимается.

Несмачивание происходит, если жидкость собирается в каплю и плохо растекается. Вода плохо смачивает парафин или воск; поэтому на вощёной поверхности видны почти круглые капли.

Причина — сравнение сил притяжения:

при смачивании притяжение между молекулами жидкости и твёрдого тела сильнее, чем между молекулами жидкости;
при несмачивании сильнее притяжение молекул жидкости друг к другу.

Форма края жидкости у стенки называется мениском. У воды в стеклянной трубке он вогнутый, а у ртути — выпуклый: ртуть стекло не смачивает.

Капиллярные явления

Капилляр — очень тонкая трубка или узкий канал. В капиллярах влияние поверхностного натяжения становится заметным: смачивающая жидкость поднимается, а несмачивающая — опускается.

Высоту подъёма жидкости можно оценить по формуле

\[ h = \frac{2\sigma\cos\theta}{\rho g r}, \]

где \(h\) — высота подъёма, \(\theta\) — краевой угол, \(\rho\) — плотность жидкости, \(g\) — ускорение свободного падения, \(r\) — радиус капилляра.

Из формулы видно: чем тоньше капилляр, тем выше поднимается смачивающая жидкость. Для несмачивающей жидкости \(\cos\theta < 0\), поэтому уровень в трубке будет ниже внешнего уровня.

Где это встречается

Вода движется по тонким сосудам растений — капиллярам, хотя одного капиллярного подъёма недостаточно для высоких деревьев.
Бумажное полотенце и фитиль впитывают жидкость по узким промежуткам между волокнами.
В почве вода удерживается в тонких порах.
Моющие средства помогают воде лучше смачивать ткань и загрязнения: они уменьшают поверхностное натяжение.

Разобранные примеры

Капля на стекле и на воске

На чистом стекле капля воды расплывается: вода смачивает стекло. На вощёной поверхности та же капля стремится сохранить округлую форму: вода её не смачивает.

Почему мыльный раствор образует плёнку

В мыльном растворе поверхностное натяжение меньше, чем у чистой воды. Поэтому из такого раствора легче получить большую тонкую плёнку и надуть мыльный пузырь.

Как изменится подъём в более тонкой трубке

Если радиус капилляра уменьшить в два раза, то по формуле \(h \sim \frac{1}{r}\) высота подъёма смачивающей жидкости увеличится примерно в два раза.

Итог

Поверхностное натяжение заставляет жидкость уменьшать площадь поверхности.
Смачивание и несмачивание зависят от сравнения сил притяжения между веществами.
В тонких каналах возникают капиллярные явления.
Чем меньше радиус капилляра, тем сильнее проявляется подъём или опускание жидкости.

Вопросы и задания

Почему молекулы на поверхности жидкости испытывают силу, направленную внутрь?
Объясните разницу между смачиванием и несмачиванием на примере воды и стекла.
Почему капля воды на вощёной поверхности обычно близка по форме к шару?
Что произойдёт с высотой подъёма воды в капилляре, если его радиус уменьшить в три раза?
Назовите два примера капиллярных явлений в природе или быту.
Зачем в моющие средства добавляют вещества, уменьшающие поверхностное натяжение?

Ответы для самопроверки

1. Над поверхностной молекулой почти нет молекул жидкости, поэтому притяжение соседей снизу и сбоку не уравновешено.

При смачивании вода растекается по стеклу, потому что притяжение воды к стеклу достаточно велико; при несмачивании капля собирается в более округлую форму.
Сферическая форма при заданном объёме имеет наименьшую площадь поверхности, а поверхностное натяжение стремится её уменьшить.
Высота подъёма увеличится примерно в три раза.
Например, впитывание воды бумажным полотенцем и движение влаги в почве.
Так вода лучше смачивает ткань и загрязнения, поэтому мытьё становится эффективнее.