Капілярні явища (фізика). Капілярні явища в природі

Серед процесів, які можна пояснити з допомогою поверхневого натягу і змочування рідин, варто особливо виділити капілярні явища. Фізика – це загадкова і незвичайна наука, без якого життя на Землі було б неможливе. Давайте розглянемо найбільш яскравий приклад цієї важливої дисципліни.




У життєвій практиці такі цікаві з точки зору фізики процеси, як капілярні явища, зустрічаються досить часто. Вся справа в тому, що у повсякденному житті нас оточує багато тіл, які легко вбирають в себе рідину. Причина цього – їх пориста структура і елементарні закони фізики, а результат – капілярні явища.

Вузькі трубки

Капіляр – це дуже вузька трубка, в якій рідина веде себе особливим чином. Прикладів таких судин багато в природі – капіляри кровоносної системи, пористих тіл, грунту, рослин і т. д. Капілярним явищем називається підйом або опускання рідин по вузьких трубках. Такі процеси спостерігаються в природних каналах людини, рослин і інших тіл, а також в вузьких спеціальних судинах з скла. На картинці видно, що в сполучених трубках різної товщини встановився різний рівень води. Відзначено, що чим тонше посудину, тим вище рівень води.




Ці явища лежать в основі всмоктуючих властивостей рушники, живлення рослин, руху чорнила по стрижню і багатьох інших процесів.

Капілярні явища в природі

Описаний вище процес надзвичайно важливий для підтримки життєдіяльності рослин. Грунт досить пухка, між її часточками існують проміжки, які являють собою капілярну мережу. По цих каналах піднімається вода, живлячи кореневу систему рослин вологою і всіма необхідними речовинами. За цим же капілярах рідина активно випаровується, тому необхідно проводити орання землі, яке зруйнує канали і утримає поживні речовини. І навпаки, притиснута земля швидше випаровує вологу. Цим зумовлена важливість переорювання землі для утримання підгрунтової рідини.




В рослинах капілярна система забезпечує підйом вологи від дрібних корінців до самих верхніх частин, а через листя вона випаровується в навколишнє середовище.

Поверхневий натяг і змочування

В основі питання про поведінку рідини в судинах лежать такі фізичні процеси, як поверхневий натяг і змочування. Капілярні явища, обумовлені ними, вивчаються в комплексі. Під дією сили поверхневого натягу змочуюча рідина в капілярах знаходиться вище рівня, на якому вона повинна знаходитися згідно із законом сполучених посудин. І навпаки, несмачивающая субстанція розташовується нижче цього рівня. Так, вода в скляній трубці (змочуюча рідина) піднімається тим на більшу висоту, ніж тонше посудину. Навпаки, ртуть у скляній пробірці (несмачивающая рідина) опускається тим нижче, чим тонше ця ємність. Крім того, як вказано на картинці, змочуюча рідина утворює увігнуту форму меніска, а несмачивающая – випуклу.

Змочування

Це явище, яке відбувається на кордоні, де рідина стикається з твердим тілом (іншою рідиною, газами). Воно виникає внаслідок особливого взаємодії молекул на межі контакту. Повне змочування означає, що крапля розтікається по поверхні твердого тіла, а несмачивание перетворює її в сферу. На практиці найчастіше зустрічається та чи інша ступінь змочування, ніж крайні варіанти.

Сила поверхневого натягу

Поверхня краплі має кулясту форму і причина цьому закон, чинний на рідини, – поверхневий натяг. Капілярні явища пов'язані з тим, що увігнута сторона рідини в трубці прагне випрямитися до плоского стану завдяки силам поверхневого натягу. Це супроводжується тим, що зовнішні частинки захоплюють за собою вгору тіла, які перебувають під ними, і субстанція піднімається вгору по трубці. Однак рідина в капілярі не може приймати плоску форму поверхні, і цей процес підйому триває до певного моменту рівноваги. Щоб розрахувати висоту, на яку підніметься (опуститься) стовп води, потрібно скористатися формулами, які будуть представлені нижче.

Розрахунок висоти підйому стовпа води

Момент зупинки підйому води у вузькій трубці настає, коли сила тяжіння Р тяж субстанції зрівноважить силу поверхневого натягу F. Цей момент визначає висоту підйому рідини. Капілярні явища обумовлені двома різноспрямованими силами:

сила тяжіння Р тяж змушує рідину опускатися вниз;

сила поверхневого натягу F рухає воду вгору.

Сила поверхневого натягу, що діє по колу, де рідина стикається зі стінками трубки, дорівнює: F = 2r, де r – радіус трубки. Сила тяжіння, що діє на рідину в трубці дорівнює: Р тяж = r2hg, де – густина рідини; h – висота стовпа рідини в трубці; Отже, субстанція припинить підніматися за умови, що Р тяж = F, а це значить, що r 2 hg = 2r, звідси висота рідини в трубці дорівнює: h=2/pqr. Точно так само для несмачивающей рідини: h – це висота опускання субстанції в трубці. Як видно з формул, висота, на яку підніметься вода у вузькому посудині (опуститься) обернено пропорційно радіусу ємності і щільності рідини. Це стосується змочувальній рідини і несмачивающей. При інших умовах потрібно робити поправку за формою меніска, що буде представлено в наступному розділі.

Лапласовское тиск

Як вже зазначалося, рідина у вузьких трубках веде себе так, що створюється враження порушення закону сполучених посудин. Цей факт завжди супроводжує капілярні явища. Фізика пояснює це з допомогою лапласовского тиску, яке при змочувальній рідини спрямоване вгору. Опускаючи дуже вузьку трубку у воду, спостерігаємо, як рідина втягується на певний рівень h. За законом сполучених посудин, вона повинна була зрівноважитися із зовнішнім рівнем води. Ця невідповідність пояснюється напрямком лапласовского тиску p л : p л =2/R, В даному випадку воно спрямоване вгору. Вода втягується в трубку до рівня, де приходить урівноваження з гідростатичним тиском p р стовпа води: p р =pqh, а якщо p л =p р , то можна прирівняти і дві частини рівняння: 2/R= pqh. Тепер висоту h легко вивести у вигляді формули: h=2/pqR. Коли змочування повне, тоді меніск, який утворює увігнута поверхня води, має форму півсфери, де =0. В такому випадку радіус сфери R буде дорівнює внутрішньому радіусу капіляра r. Звідси отримуємо: h=2/pqr. А в разі неповного змочування, коли /=0 радіус сфери можна обчислити за формулою: R=r/cos. Тоді шукана висота, що має поправку на кут, буде дорівнює: h=(2/pqr)cos . З представлених рівнянь видно, що висота h обернено пропорційна внутрішньому радіусу трубки r. Найбільшої висоти вода досягає в посудинах, що мають діаметр людської волосини, які і називаються капілярами. Як відомо, змочуюча рідина втягується вгору, а несмачивающая – виштовхується вниз. Можна провести експеримент, взявши сполучені посудини, де один з них широкий, а інший – дуже вузький. Наливши туди воду, можна відзначити різний рівень рідини, причому у варіанті з змочувальній субстанцією рівень у вузькій трубці вище, а з несмачивающей – нижче.

Важливість капілярних явищ

Без капілярних явищ існування живих організмів просто неможливо. Саме по найдрібніших судинах людське тіло одержує кисень і поживні речовини. Коріння рослин – це мережа капілярів, яка витягує вологу з землі, доносячи її до самих верхніх листків. Проста побутова прибирання неможлива без капілярних явищ, адже за цим принципом тканина вбирає воду. Рушник, чорнило, гніт в масляною лампою і безліч пристроїв працює на цій основі. Капілярні явища в техніці відіграють важливу роль при сушінні пористих тіл та інших процесах. Деколи ці ж явища дають небажані наслідки, наприклад, пори цегли вбирають вологу. Щоб уникнути отсиревания будівель під впливом грунтових вод, потрібно захистити фундамент з допомогою гідроізолюючих матеріалів – бітуму, руберойду або толю. Промокання одягу під час дощу, наприклад, штанів до самих колін від ходьби по калюжах також зобов'язана капілярних явищ. Навколо нас безліч прикладів цього природного феномену.

Експеримент з квітами

Приклади капілярних явищ можна знайти в природі, особливо якщо говорити про рослини. Їх стовбури мають всередині безліч дрібних судин. Можна провести експеримент з фарбуванням квітки в який-небудь яскравий колір внаслідок капілярних явищ. Потрібно взяти яскраво забарвлену воду і білий квітка (або лист пекінської капусти, стебло селери) і поставити у склянку з цією рідиною. Через якийсь час на листках пекінської капусти можна спостерігати, як фарба просувається вгору. Колір рослини поступово зміниться відповідно фарби, в яку він поміщений. Це обумовлено рухом субстанції вгору по стеблах згідно з тими законами, які були розглянуті нами в цій статті.