1.3. Поверхностное натяжение

Всякая молекула, расположенная в глубине жидкости, притягивается своими соседками. Силы этого притяжения взаимно уравновешены и поэтому не будут заметны. Иная картина у тех молекул, которые расположены не в глубине, а в поверхностном слое жидкости. Они притягиваются снизу и со всех сторон, но не сверху, так как там находится уже не жидкость, а другая среда. В результате поверхностный слой находится как бы в натянутом состоянии, подобно упругой пленке.

Эти пленки удерживают небольших насекомых – водомерок, маленькие металлические иголки и другие предметы. Поверхностное натяжение определяется природой жидкости.

Для демонстрации действия поверхностного натяжения выпив чай, оставьте на дне чашки немного жидкости с чаинками. Чайной ложкой или спичкой осторожно коснитесь поверхности жидкости. Она тотчас «поползет» вверх, увлекая за собой чаинки. Это явление – результат действия поверхностного натяжения.

Если две сухие стеклянные пластинки приложить друг к другу, они легко разъединяются. Если же одну из пластинок смочить водой, разъединить их будет значительно труднее. Это тоже результат действия поверхностного натяжения.

Поверхностный слой оказывает давление на всю остальную массу жидкости. Это так называемое молекулярное давление, как оказалось, измеряется весьма внушительными цифрами. Для эфира, например, оно составляет 1400, для спирта 2400, а для воды 11000 атмосфер. В этом может заключаться одна из причин того, что капельные жидкости практически несжимаемы. Ведь обычное внешнее давление ничтожно по сравнению с тем, которое жидкость уже испытывает от своих же молекул – молекул поверхностного слоя. Вторая причина несжимаемости жидкости – малые расстояния между молекулами, половина из которых связана внутренними межмолекулярными связями.

При создании новой поверхности жидкости требуется затрата энергии для преодоления сил внутреннего давления, которая характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения , измеряемым в Н/м.

Коэффициент поверхностного натяжения рассматривается как сила, действующая на единицу длины поверхности раздела жидкости и соприкасающейся с ней среды, а также как работа, требуемая для образования единицы новой (межфазной) поверхности. С увеличением температуры жидкости поверхностное натяжение уменьшается, снижаясь до нуля в критической точке.

1.4. Силы, действующие в жидкости

Жидкость в гидравлике рассматривается как непрерывная среда, т.е. ее молекулярным строением пренебрегают. В покоящейся жидкости нет перемещения слоев относительно друг друга. Это показывает, что в жидкости действуют не сосредоточенные силы, а силы, непрерывно распределенные по ее объему (массе) или по поверхности. В связи с этим силы, действующие на жидкость, разделяют на массовые (объемные) и поверхностные.

Массовые силы пропорциональны массе жидкости и, если жидкость однородна, пропорциональны ее объему.

К массовым силам относятся сила тяжести и сила инерции, которая действует на жидкость при относительном ее покое во вращающихся или ускоренно движущихся сосудах.

Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и в случае равномерности распределения пропорциональны площади этой поверхности. Если массовые силы обусловлены силами тяжести и инерции, то поверхностные силы обусловлены непосредственным воздействием других тел (твердых или газообразных), соприкасающихся с данной жидкостью. Согласно третьему закону Ньютона, жидкость действует на другие тела с той же силой, но в противоположном направлении. Массовые силы относят к единице массы (Н/м³), а поверхностные – к единице поверхности (Н/м² =Па).