Skysčio paviršiaus įtemptis Eletrėnų sav. Semeliškių gimnazija Skysčio paviršiaus įtemptis Konkursas “Fizikos bandymai aplink mus 2016” Darbą atliko 11 klasės mokinys Rytis Klimovič Fizikos mokytoja Snieguolė Klimovičienė

Turinys Tikslas Skysčių sandara ir savybės Skysčių paviršiaus įtempties jėgų kilmė Kodėl skysčio lašelis yra apvalus? Paviršiaus įtempties jėga Paviršiaus įtempties koeficientas Bandymai Uždaviniai Testas Informacijos šaltiniai

Tikslas Supažindinti su paviršiaus įtempties jėgos ir paviršiaus įtempimo koeficiento sąvokomis; Išmatuoti ir apskaičiuoti paviršiaus įtempties jėgą.

Skysčių sandara ir savybės Skysčių molekulės išsidėsčiusios arti viena kitos. Todėl skysčiai yra mažai spūdūs. Molekulės gali judėti viena kitos atžvilgiu, nors jos dažniau tik svyruoja, kartais sukimba su gretimomis, sudarydamos nedideles grupes. Kai skystis neteka, jo molekulės peršoka iš vienos pusiausvyros padėties į kitą visomis kryptimis vienodai.

Skysčių sandara ir savybės Veikiamas išorinės jėgos (pavyzdžiui, sunkio), skystis ima tekėti išlaikydamas savo tūrį ir įgydamas indo formą. Toks jis yra dėl to, kad molekulės peršoka iš vienos pusiausvyros padėties į kitą jėgos veikimo kryptimi.

Skysčių paviršiaus įtempties jėgų kilmė Skysčio viduje esančią molekulę gretimos molekulės veikia traukos jėgomis, kurios kompensuojasi Molekulę, kuri yra skysčio paviršiuje veikia ne tik skysčio, bet ir oro molekulės Kadangi pastarųjų poveikis jai yra silpnesnis negu gretimų skysčio molekulių, tai 2 molekulę veikiančių jėgų atstojamoji F nelygi nuliui. Ji nukreipta žemyn, į skystį. Taigi ši molekulė turėtų būti įtraukta į skysčio vidų. Tačiau ji ten patekti negali, nes laisvos vietos nėra. Todėl 2 molekulė, kaip ir dauguma paviršinių molekulių, lieka savo vietoje.

Skysčių paviršiaus įtempties jėgų kilmė Molekulinių jėgų veikiamas paviršiaus sluoksnis slegia skystį, sudarydamas molekulinį slėgį. Jis yra nepaprastai didelis (pavyzdžiui, vandenyje jis siekia apie 1.1 · 109 Pa). Molekulinis slėgis neturi įtakos skystyje panardintam kūnui, jis veikia tik vidinių skysčio sluoksnių molekules, sudarydamas plėvelės įspūdį.

Skysčių paviršiaus įtempties jėgų kilmė Dėl plėvelės vandens paviršiumi gali bėgti čiuožikas ir kiti vandens gyvūnėliai, ant vandens laikosi adata ar mažytė sąvaržėlė. Iš čiaupo lašantys vandens lašai atrodo tarytum įpilti į elastingą maišelį.

Kodėl skysčio lašelis yra apvalus? Kiekviena skysčio paviršiaus sluoksnio molekulė, veikiama molekulinio slėgio, turi potencinės energijos. Žinome, kad kiekviena sistema savaime pereina į tokią būseną, kurioje jos potencinė energija yra mažiausia. Dėl to skysčio paviršius stengiasi susitraukti tiek, kad užimtų kuo mažesnį plotą. Kai kurioms paviršiaus molekulėms vis dėlto pavyksta patekti į skysčio vidų. Skysčio paviršiaus plotas dėl to sumažėja. Kuo mažesnis paviršiaus plotas, tuo mažesnė jo energija ir stabilesnė būsena. Mažiausias yra rutulio paviršiaus plotas. Todėl bet kurios rūšies skysčio lašeliai yra apvalūs. Erdvėlaivyje, būdamas nesvarus, rutulio formą įgyja ir palyginti didelis skysčio kiekis.

Paviršiaus įtempties jėga Paviršiaus įtempties jėgą galima stebėti atliekant nesudėtingą bandymą su vielos rėmeliu, prie kurio per vidurį pririštas siūlas. Įmerkus rėmelį į muilo tirpalą, žiedo viduje susidaro plėvelė. Joje atsidūręs siūlas yra neįtemptas.

Paviršiaus įtempties jėga Pradūrę plėvelę vienoje siūlo pusėje, pastebime, kad susitraukdamas plėvelės paviršius ištempia siūlą. Tai daro paviršiaus įtempties jėga.

Paviršiaus įtempties jėga Jėga, kuri veikia skysčio paviršiaus liestinės kryptimi statmenai linijai, ribojančiai tą paviršių, ir stengiasi sumažinti jį iki minimumo, vadinama paviršiaus įtempties jėga.

Paviršiaus įtempties koeficientas Paviršiaus įtempties jėgos F, kuri veikia ilgio l paviršiaus kontūrą, modulio ir to ilgio santykis vadinamas paviršiaus įtempties koeficientu ir žymimas raide σ: Jo matavimo vienetas yra niutonas metrui

1 bandymas Priemonės: stiklinė su karštu ir šaltu vandeniu, pipetė, 5 centų moneta. Užduotis: kiek vandens lašų galima užlašinti ant 5 centų monetos? Nuo ko gali priklausyti lašų skaičius?

1 bandymas Darbo eiga: ant monetos pipete lašiname šaltą 10°C vandenį ir skaičiuojame kiek lašų telpa ant monetos. Tą patį darome su šiltu 38°C vandeniu. Išvada: Ant 5 centų monetos galima užlašinti 45 šalto vandens lašus ir 29 šilto vandens lašus. Lašų skaičius priklauso nuo vandens temperatūros, monetos švarumo. Šalto vandens paviršiaus įtempimo jėga didesnė nei šilto.

2 bandymas Priemonės: briliantinės žalumos alkoholinis tirpalas, stiklinė su vandeniu, pipetė. Užduotis: į pipetę įtraukti tirpalo. Įleisti pipetės galą į 2-3 cm gylį ir atsargiai išspausti briliantinės žalumos. Kaip keičiasi tirpalas? Kodėl?

2 bandymas Darbo eiga: į pipetę įtraukiame briliantinės žalumos alkoholinio tirpalo ir atsargiai įlašiname į vandenį. Stebime kas vyksta vandenyje. Išvada: tirpalas vandenyje deformuojasi ir kyla į viršų, paviršiuje staiga išsklinda į šonus, nes vandens paviršiaus įtempimo koeficientas gerokai didesnis negu alkoholinio briliantinės žalumos tirpalo.

3 bandymas Priemonės: stiklinė su muilo tirpalu, stovas, vielos rėmelis, dinamometras. Užduotis: apskaičiuoti rėmelio viršutinę kraštinę veikiančią paviršiaus įtempties jėgą.

3 bandymas Darbo eiga: stiklinė su muilo tirpalu pakeliama aukštyn, kad rėmelis pasinertų tirpale. Paskui stiklinė iš lėto leidžiama žemyn. Tarp rėmelio kraštinių susidaro muilo plėvelė, o dinamometro rodyklė pasitempia žemyn.

3 bandymas Paviršiaus įtempties jėga veikia iš abiejų plėvelės pusių, todėl rėmelis yra traukiamas jėga 2F; čia F – paviršiaus įtempties jėga, veikianti kraštinę AB iš vienos plėvelės pusės. Kompensuodama paviršiaus įtempties jėgos poveikį spyruoklės tamprumo jėga įgyja tam tikrą vertę Ft1. Ft1 + mg + 2F = 0; Ft1 – mg – 2F = 0; Kadangi Ft1 = mg, tai F = (Ft1 – mg)/2 = (Ft1 – Ft)/2 Ft1 = 0.2 N Ft = 0.3 N F = (0.3 – 0.2)/2 = 0.05 N

1 uždavinys Ant jautrios spyruoklės pakabintu gulsčiu plonos vielos kvadratiniu rėmeliu paliečiamas aliejaus paviršius. Rėmelio kraštinės ilgis 30 mm, spyruoklės standumas 0,80 N/m. Tolygiai keliant rėmelį, atotrūkio nuo aliejaus metu spyruoklė pailgėjo 10 mm. Apskaičiuokime aliejaus paviršiaus įtempimo koeficientą. Duota: a = 30 mm = 0.030 m k = 0.8 N/m x = 0.010 m Rasti: σ = ? Sprendimas: Atitrūkstant rėmeliui nuo aliejaus, spyruoklė pailgėja dėl to , kad reikia įveikti paviršinio įtempimo jėgą. Pagal sąryšį Fįt = σl = 8σa. Pagal Huko dėsnį tamprumo jėga Ft = -kΔx. Šią jėgą atsveria paviršiaus įtempimo jėga: Fįt = -Ft = kΔx; 8σa = kΔx; σ = kΔx/a σ = 0.8 · 0.010 / 8 · 0.030 = 0.033 N/m Atsakymas: σ = 0.033 N/m

2 uždavinys Kokį darbą reikia atlikti, norint dvigubai padidinti muilo burbulo, kurio spindulys 3 cm, tūrį? Duota: r = 3 cm = 0.03 m σ = 0.04 N/m V2 = 2V1 Rasti: A = ? Sprendimas: Atliktas darbas A = σΔS, čia ΔS – burbulo paviršių ploto suminis prieaugis. ΔS = 2(S2-S1) = 8π(r22 - r12). Spinduliui r2 naudosimės tūrių sąryšiu: V1 = 4πr13/3; V2 = 4πr23/3 = 2V1 . Tad r2 = 21/3r1. A = 8πσr12 (22/3 – 1) A = 8 · 3.14 · 0.04 · 0.032 (22/3 – 1) = 0.53· 10-3 J Atsakymas: A = 0.53· 10-3 J

3 uždavinys Laboratorinio darbo metu yra nustatomas vandens paviršiaus įtempimo koeficientas. Nustatymui buvo panaudota pipetė, turinti 1 mm skersmens ištekėjimo skylutę. 40 vandens lašų masė 0,93g. Laisvojo kritimo pagreitį laikykite 9,8 m/s2 . Duota : m = 0.93· 10-3 kg N = 40 g = 9,8 m/s2

3 uždavinys 3.1 Kokia vandens lašelio sunkio jėga? Lašelio sunkio jėga Fs = m1g. Čia m1 = m/N – vieno lašelio masė, N – lašelių skaičius. Todėl Fs = mg/N; Fs = 0.93 · 10-3 kg · 9.8 m/s2 / 40 = 0.22 · 10-3 N Atsakymas: Fs = 0.22 · 10-3 N

3 uždavinys 3.2 Kokia paviršiaus įtempimo jėga veikia lašelį atitrūkimo momentu? Kokia jos kryptis? Atitrūkimo momentu paviršiaus įtempimo jėga lygi sunkio jėgai: Fįt = Fs Fįt = 0.22 · 10-3 N Įtempimo jėgos kryptis priešinga sunkiui Fįt = -Fs t.y. Nukreipta į viršų. Atsakymas: Fįt = 0.22 · 10-3 N

3 uždavinys 3.3 Koks buvo gautas vandens paviršiaus įtempimo koeficientas? Paviršiaus įtempimo koeficientą apskaičiuojame pagal formulę σ = Fįt / 2πr; Čia 2r = d – pipetės skersmuo. σ = Fįt / 2πd σ = 0.22 · 10-3 N / 3.14 · 1 · 10-3 m = 0.07 N/m Atsakymas: σ = 0.07 N/m

3 uždavinys 3.4 Kaip keisis vandens paviršiaus įtempimo koeficientas perėjus į šaltenę patalpą? Perėjus į šaltesnę patalpą temperatūra kris, todėl paviršiaus įtempimo koeficientas didės, nes eksperimentais nustatyta, kad paviršiaus įtempimo koeficientas prilauso nuo temperatūro: temperatūrai kylant paviršiaus įtempimas mažėja.

3 uždavinys 3.5 Kaip pasikeis vandens paviršiaus įtempimo koeficientas padidinus pipetės skersmenį? Padidinus pipetės skersmenį, padidės vandens lašo masė, tuo pačiu ir visų lašų masė. Todėl santykis m/d nepakis. σ = mg / πNd Vadinasi paviršiaus įtempimo koeficientas nepasikeis.

3 uždavinys 3.6 Kokioje temperatūroje skysčio paviršiaus įtempimo koeficientas pasidarytų lygus 0? Kritinėje temperatūroje išnyksta skirtumas tarp skysčio ir jo sočiųjų garų, todėl ir skysčio paviršiaus įtempimo koeficientas pasidaro lygus 0.

1 klausimas Kaip išsidėstę skysčio dalelės? išsidėstę glaudžiai, tačiau netvarkingai; išsidėsčiusios tvarkingai arti viena kitos; tarpai tar molekulių didesni už jas pačias; visi atsakymai neteisingi.

2 klausimas Paviršiaus įtempties koeficientas apskaičiuojamas pagal formulę: F = σ · l; σ = F/l; F = m · g; σ = F/S

3 klausimas Paviršiaus įtempties matavimo vienetas: N; N · m; N/m;

4 klausimas Molekulinis slėgis lygus: 1.1 ·109 Pa; 10 · 1010 Pa;

5 klausimas Kodėl išlydyti riebalai vandens paviršiuje yra skritulio formos? riebalų lašelius veikia paviršiaus įtempimo jėgos; riebalų lašelius veikia vandens paviršiaus įtempimo jėgos; išlydyti riebalai – nedrėkinantis skystis; dėl paviršiaus įtempimo jėgos išlydyti riebalai būtų rutulio formos, tačiau dėl sunkio jėgos veikimo jie susiploja, įgyja skritulio formą.

6 klausimas Iš čiaupo laša vandens lašai. Kada lašai sunkesni: kai vanduo karštas ar kai šaltas? šalto ir karšto vandens lašų masės lygios, nes laša iš to paties čiaupo; karšto vandens lašas sunkesnis, nes jo tūris didesnis; šalto vandens lašas sunkesnis, nes jo tūris didesnis; šalto vandens lašas sunkesnis, nes, mažėjant temperatūrai, didėja vandens paviršiaus įtempimo koeficientas, lašas bus didesnis.

7 klausimas Kodėl maži skysčio kiekiai yra rutulio formos? dėl mažo svorio; veikia mažesnis pasipriešinimas; nes skystis turi savybę užimti mažiausią paviršiaus plotą; tarp išvardintų priežasčių nėra tikrosios.

8 klausimas Kokia jėga muilo plėvelė veikia 3 cm ilgio vielelę? Muilo tirpalo paviršiaus įtempimo koeficientas yra 0,04 N/m. Vielelė apsupta plėvele. 0; 2 N; 2.4 mN; 9.8 N.

9 klausimas Ant stiklo plokštelės yra didelis gyvsidabrio lašas. Kokios formos bus lašas nesvarumo sąlygomis? elipsoidas; rutulys; krintančio vandens lašo formos; kubo formos.

10 klausimas Kodėl milžiniškas molekulinis slėgis nesutraiško žuvų? žuvys prie to prisitaikiusios; šis slėgis veikia tik skysčio molekules ir neveikia panardinto į skystį kūno; šiam slėgiui galioja Paskalio dėsnis; teisingas atsakymas nepateiktas.

Video filmukai https://www.youtube.com/watch?v=bxS8z0uH47Q https://www.youtube.com/watch?v=ynk4vJa-VaQ https://www.youtube.com/watch?v=u5AxlJSiEEs

Informacijos šaltiniai Palmira Pačiuliauskienė “Fizika 11 klasei 2 knyga” Fizikos įdomieji eksperimentiniai uždaviniai http://www.mokslon.lt/wp-content/uploads/2014/07/vandens-pavirsiaus-itempimas.jpg http://ap-physics.david-s.org/wp-content/uploads/2012/10/particels.gif http://utahscience.oremjr.alpine.k12.ut.us/sciber08/5th/matter/images/liquid.gif http://media1.giphy.com/media/3uetGLYgad1OE/giphy.gif http://www.efoto.lt/files/images/7243/iklimpes%201web.jpg