Napięcie powierzchniowe cieczy

około 10 minut

W tej lekcji1/14

Weź zwykły metalowy spinacz i połóż go płasko na wodzie — bardzo ostrożnie, najlepiej na kawałku bibułki, która zaraz nasiąknie i opadnie. Spinacz zostanie na wierzchu. Stal jest prawie osiem razy gęstsza od wody, więc powinien iść na dno jak kamień. A leży. Teraz najlepsze: wystarczy dodać jedną kroplę płynu do naczyń po drugiej stronie szklanki, żeby w ułamku sekundy utonął. Nikt go nie dotknął. Co go trzymało?

Cząsteczka w środku cieczy ma spokojne życie

Pamiętasz siły spójności — te, którymi cząsteczki cieczy przyciągają się nawzajem? Właśnie z nich wyrasta cała dzisiejsza lekcja. Wystarczy zadać jedno pytanie: czy każda cząsteczka wody jest przyciągana tak samo?

Cząsteczka w głębi cieczy: przyciągana ze wszystkich stron

W głębi cieczy wypadkowa siła wynosi zero

Siły są ze wszystkich stron mniej więcej takie same, więc znoszą się nawzajem. Wypadkowa siła działająca na taką cząsteczkę wynosi zero — nic jej nigdzie nie popycha.

To dlatego woda w środku szklanki nie robi nic ciekawego. Cząsteczki drgają, przesuwają się między sobą, ale żaden kierunek nie jest dla nich wyróżniony.

Cząsteczka na powierzchni jest ciągnięta w dół

A teraz przenieś się na samą górę, do cząsteczki leżącej na powierzchni. Nad nią nie ma już wody — jest tylko powietrze, a cząsteczki powietrza są daleko od siebie i przyciągają zdecydowanie słabiej.

Cząsteczka na powierzchni: od góry nie ciągnie nic

Cała powierzchnia zachowuje się jak napięta błona

To dotyczy każdej cząsteczki na powierzchni. Wszystkie są wciągane do środka i wszystkie mocniej trzymają się swoich bocznych sąsiadek. Efekt jest taki, jakby ciecz była opięta cienką, napiętą błoną — jak powierzchnia nadmuchanego balonika. Tę własność nazywamy napięciem powierzchniowym.

Uwaga, żadnej prawdziwej błonki tam nie ma. To ta sama woda co niżej, tylko jej najwyższa warstwa jest w wyjątkowej sytuacji: brakuje jej sąsiadek od góry.

Cząsteczki cieczy — najwyższa warstwa nie ma sąsiadek od góry

Mydło obniża napięcie

Cząsteczki mydła i detergentów wpychają się między cząsteczki wody na powierzchni i rozpychają je, więc wzajemne przyciąganie słabnie — a razem z nim napięcie powierzchniowe. Dlatego pierzemy z proszkiem, a nie samą wodą: woda o dużym napięciu powierzchniowym woli zostać w kropli, niż wcisnąć się między nitki tkaniny. Woda z detergentem robi się bardziej rozlewna i wchodzi w każdą szczelinę razem z brudem.

Dlaczego kropla jest kulista

1
Skoro każda cząsteczka z powierzchni jest wciągana do środka, to cała powierzchnia kurczy się, jak napięta guma. Ciecz zawsze dąży do tego, żeby jej powierzchnia była jak najmniejsza.
2
Pytanie brzmi więc: jaki kształt ma najmniejszą powierzchnię przy tej samej objętości? Porównajmy trzy bryły o objętości $1$ litra, czyli $0{,}001$ metra sześciennego.
$V = 1\text{ l} = 0{,}001\text{ m}^3$
3
Litr cieczy w kształcie sześcianu: sześć ścian po 100 cm²
Gdyby to był sześcian, jego krawędź miałaby $10$ centymetrów, a powierzchnia sześciu ścian dałaby $600$ centymetrów kwadratowych.
$S_{\text{sz}} = 6 \cdot 10 \cdot 10 = 600\text{ cm}^2$
4
Gdyby to był płaski naleśnik, powierzchnia byłaby jeszcze większa — im bardziej rozpłaszczasz ciecz, tym więcej cząsteczek ląduje na wierzchu, w tej niewygodnej sytuacji bez sąsiadek od góry.
5
Ten sam litr cieczy w kształcie kuli: tylko 484 cm² powierzchni
A kula o objętości litra ma promień około $6{,}2$ centymetra i powierzchnię tylko $484$ centymetrów kwadratowych. Kula wygrywa — żadna bryła o tej samej objętości nie ma mniejszej powierzchni.
$S_{k} = 4\pi r^2 \approx 484\text{ cm}^2$
6
Dlatego swobodna kropla wody jest kulista: to jej najbardziej oszczędny kształt. Na ziemi grawitacja spłaszcza większe krople, więc idealne kulki widać dopiero przy tych najmniejszych — w mgle, we mgiełce z rozpylacza albo w kroplach rosy.
Wskazówka
W stacji kosmicznej grawitacja nie przeszkadza i woda wypuszczona ze strzykawki tworzy pływającą kulę wielkości pomarańczy. Astronauci robią z tego pokazy — to napięcie powierzchniowe w czystej postaci.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Masz dwie identyczne szklanki z czystą wodą. Na każdej leży spinacz, ostrożnie położony płasko na powierzchni. Do drugiej szklanki wpuszczasz przy samym brzegu jedną kroplę płynu do naczyń — nie dotykasz spinacza. Co się stanie?

Pułapka! Igła na wodzie wcale nie pływa

To najczęstsze nieporozumienie w tej lekcji i warto je rozbroić raz na zawsze.

Liczby przesądzają: stal musi tonąć

Sprawdźmy liczby. Gęstość stali to około $7800$ kilogramów na metr sześcienny, a wody $1000$ . Stal jest więc prawie osiem razy gęstsza od wody.

Igła nie pływa — ona leży na błonie

Co ją zatem trzyma? Napięcie powierzchniowe. Igła położona bardzo delikatnie na powierzchni nie pływa — ona leży na napiętej błonie. Widać to gołym okiem: woda pod igłą jest wgnieciona jak materac, na którym ktoś usiadł. Błona się ugina, ale nie pęka, i to jej sprężystość równoważy ciężar igły.

Nartnik, czyli owad chodzący po stawie

1
Nad każdym spokojnym stawem można latem zobaczyć nartniki — smukłe owady, które chodzą po powierzchni wody i nawet się nie zamoczą.
2
Nartnik nie unosi się na wodzie w taki sposób, jak łódka. Nic z niego nie jest zanurzone. Rozstawia szeroko sześć długich nóg i rozkłada swój ciężar na sześć malutkich punktów na błonie.
3
Końcówki nóg pokrywają go tysiące drobniutkich włosków posmarowanych woskiem — dzięki temu woda ich nie zwilża i nie wciąga stopy pod powierzchnię. Błona tylko się pod nimi ugina.
4
Gdyby zrobić zdjęcie z boku, widać byłoby sześć dołków na powierzchni wody, a w każdym dołku koniec nogi. Sprężystość napiętej błony równoważy ciężar owada — dokładnie tak jak przy igle.
5
I finał eksperymentu, którego lepiej nie robić na żywym owadzie: kropla detergentu w stawie sprawia, że napięcie powierzchniowe spada i nartnik traci grunt pod nogami. To jeden z powodów, dla których ścieki z detergentami są tak groźne dla owadów wodnych.
Wskazówka
Ten sam trik z mydłem można pokazać inaczej: papierową łódeczkę z nacięciem z tyłu wystarczy dotknąć od tyłu mydłem, a odpłynie do przodu. Z przodu napięcie jest wciąż duże i ciągnie mocniej niż z tyłu.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Astronautka na stacji kosmicznej wyciska ze strzykawki dużą porcję soku. W stanie nieważkości grawitacja nie spłaszcza cieczy, więc o kształcie decyduje wyłącznie napięcie powierzchniowe. Jaki kształt przyjmie ta porcja soku?

Ściąga do zapamiętania

Skąd bierze się napięcie powierzchniowe i dlaczego igła utrzymuje się na wodzie?

Cząsteczka w głębi cieczy jest przyciągana przez sąsiadki ze wszystkich stron, więc siły się znoszą i wypadkowa wynosi zero. Cząsteczka na powierzchni ma sąsiadki tylko z boków i od dołu, bo nad nią jest powietrze — powstaje wypadkowa siła skierowana w głąb cieczy. Dlatego powierzchnia kurczy się i zachowuje jak napięta błona. To jest napięcie powierzchniowe. Skutki: swobodna kropla przyjmuje kształt kuli, bo kula ma najmniejszą powierzchnię przy danej objętości; nartnik chodzi po wodzie; igła i spinacz utrzymują się na powierzchni. UWAGA na pułapkę: igła nie pływa i nie trzyma jej siła wyporu — gęstość stali to około $7800$ kg na metr sześcienny wobec $1000$ dla wody, więc zanurzona igła tonie. Ona leży na napiętej błonie, która ugina się pod jej ciężarem. Mydło i detergenty obniżają napięcie powierzchniowe: igła wtedy tonie, a woda łatwiej wnika w tkaninę, dlatego pomagają prać.

Sprawdź się!

Czym różni się sytuacja cząsteczki na powierzchni cieczy od cząsteczki w jej głębi?

Cząsteczka w głębi cieczy — a jak wygląda to samo przy powierzchni?

Stalowa igła położona bardzo delikatnie na wodzie zostaje na powierzchni. Dlaczego?

Dlaczego swobodna kropla cieczy przyjmuje kształt kuli?

Do szklanki, w której na powierzchni leży spinacz, wpuszczasz kroplę płynu do naczyń. Spinacz tonie. Co się zmieniło?

Dlaczego do prania używamy proszku albo płynu, a nie samej wody?

Następny temat

Dyfuzja i ruchy cząsteczek