 |
Силы поверхностного натяжения
|
|
|
|
Молекулы жидкости притягиваются друг к другу с определённой силой. Причём внутри жидкости силы, действующие на любую молекулу, уравновешиваются, т.к. со всех сторон от неё находятся одинаковые молекулы, расположенные на одинаковом расстоянии. Однако молекулы жидкости, находящиеся на границе (с газом, твердым телом или на границе двух несмешивающихся жидкостей) оказываются в неуравновешенном состоянии т.к. со стороны другого вещества действует притяжение других молекул, расположенных на других расстояниях. Возникает преобладание какой-то силы. Под влиянием этого воздействия поверхность жидкости стремится принять форму, соответствующую наименьшей площади. Если силы внутри жидкости больше наружных сил, то поверхность жидкости стремится к сферической форме. Например, малые массы жидкости в воздухе стремятся к шарообразной форме, образуя капли. Может иметь место и обратное явление, которое наблюдается как явление капиллярности. В трубах малого диаметра (капиллярах) наблюдается искривление свободной поверхности, граничащей с газом или с парами этой же жидкости. Если поверхность трубки смачивается, свободная поверхность жидкости в капилляре вогнутая. Если нет смачивания, свободная поверхность выпуклая, как при каплеобразовании. Во всех этих случаях силы поверхностного натяжения обусловливают дополнительные напряжения pпов в жидкости. Величина этих напряжений определяется формулой
.
где σ - коэффициент поверхностного натяжения,
r - радиус сферической поверхности, которую принимает жидкость.
 |
Эти дополнительные напряжения легко наблюдать, если в сосуд с жидкостью погрузить капилляр. В этом опыте возможны два варианта. В первом случае жидкость, за счёт поверхностных сил, поднимется по капилляру на некоторую высоту. Тогда говорят о капиллярном поднятии, и наблюдается явление смачивания.
|
|
|
Во втором варианте жидкость опускается в капилляре ниже уровня жидкости в сосуде. Такое явление называют капиллярным опусканием, которое происходит при несмачивании.
В обоих случаях величина 
пропорциональна дополнительному напряжению, вызванному в жидкости поверхностными силами. Она равна
;
где σ - коэффициент поверхностного натяжения,
d – диаметр капилляра,
k – коэффициент пропорциональности, который выражается следующей формулой
,
и зависит от жидкости. Например, при t = 20 ºC, k спирта составляет 11,5, ртути – 10,15 а воды - 30.
Поднятие воды в капиллярах почвы и грунтов является важным фактором в распространении воды. Высота капиллярного поднятия в грунтах изменяется от нуля (галечники) почти до 5 м (глины). При этом с увеличением минерализации воды высота капиллярного поднятия увеличивается.
Поверхностное натяжение и капиллярные эффекты определяют закономерности движения жидкости в условиях невесомости.
К поверхностным силам относятся и силы давления, т.к. они действуют на поверхности жидкости.
Силы давления
 |
Давление – напряжение, возникающее в жидкости под действием сжимающих сил.
В общем случае поверхностная сила 
, действующая на площадке 
под некоторым углом к ней, может быть разложена на нормальную 
и тангенциальную 
составляющие. Первая, направленная внутрь объема, называется силой давления, вторая – силой трения. Нормальная составляющая вызывает в жидкости нормальные напряжения или гидромеханическоедавление, которое в покоящейся жидкости называется гидростатическим. Если сила 
равномерно распределена по площадке 
, то
,
или переходя, к пределу
.
В любом случае причиной возникновения давления является внешняя сила, приложенная к жидкости. Часто в гидроприводе такой силой является нагрузка F, приложенная к исполнительному органу. Эта нагрузка воздействует на жидкость через какую-то жёсткую поверхность и, следовательно, распределена равномерно, например площадь поршня гидроцилиндра S. В таком случае давление P определяется по формуле
|
|
|
.
Если давление отсчитывается от нуля, оно называется абсолютным и обозначается 
, если от атмосферного, – избыточным и обозначается 
. Атмосферное давление обозначается 
.
Кроме того, различают давление гидродинамическое и гидростатическое. Гидродинамическое давление возникает в движущейся жидкости. Гидростатическое давление – давление в покоящейся жидкости.
|
|
|
