Рис. 2.26 / Задача 2.85. Два плавающих в молоке колечка.

Из-за поверхностного натяжения вблизи стенки миски поверхность молока тоже изогнута вверх. Поэтому, когда колечко приближается к стенке миски, поверхность молока между ним и стенкой искривляется очень сильно, а значит, возникает сила, подтягивающая колечко к стенке. Если в миску до краев налить молока, а затем добавить еще чуть-чуть, так, чтобы поверхность молока оказалась выше края, поверхность молока вблизи него изогнется вниз. В этом случае колечко, оказавшееся возле края миски, будет отталкиваться от него. Это физическое явление — причина недовольства многих посетителей пабов, заметивших плавающие в стакане воды соринки. Можно ли добиться того, чтобы соринки не прилипали к стенке стакана?

Плоское обоюдоострое лезвие бритвы может плавать, если его осторожно положить на воду. В отличие от кукурузных хлопьев, бритва плавает чуть ниже уровня окружающей воды, так что вблизи нее поверхность воды искривляется вниз. Но поверхностное натяжение сближает и плавающие рядом бритвы, поскольку при этом поверхность между ними уплощается, а следовательно, понижается энергия.

Обычно материал называют гидрофильным (происходит от древнегреческих слов «вода» и «любовь»), если вода к нему притягивается, и гидрофобным (производное от слов «вода» и «боязнь»), если вода к нему не притягивается. Два плавающих тела из гидрофильных материалов притягиваются, даже если они находятся на довольно большом расстоянии друг от друга. Так же ведут себя два тела из гидрофобных материалов. Однако гидрофильное и гидрофобное тела отталкиваются друг от друга, поскольку, если они сближаются, увеличивается кривизна поверхности, что требует затрат энергии.

Почему замки из песка не рассыпаются? Куча песка в песочнице на детской площадке никогда не бывает слишком высокой и крутой, а стены песчаных замков можно сделать вертикальными и украсить башенками с острыми углами. Более того, многие естественные образования из песка, песчаные обрывы, имеют почти отвесные стены. Почему вертикальные песчаные стены не разрушаются?

ОТВЕТ • Сухой песок сыпучий: отсутствуют силы сцепления, удерживающие вместе песчинки. В песке, находящемся под водой, песчинки тоже не сцеплены, поскольку вода легко протекает между ними и делает песок подвижным. Однако сырой песок — вполне связный грунт. Вода притягивается к песчинкам и смачивает их. Вода, находящаяся между двумя песчинками, соединяет их жидким мостиком. По форме этот мостик напоминает песочные часы. Около каждой из песчинок он расширяется, а посредине имеется узкая перетяжка. Вода фактически неподвижна, она не утекает от песчинок или не стекает вниз под действием силы тяжести. Силы сцепления обусловлены двумя причинами. 1. Молекулы воды притягиваются друг к другу и к песчинкам. Этот эффект называется поверхностным натяжением. 2. Поскольку поверхности жидкого мостика изгибаются наружу, давление воды внутри мостика меньше давления воздуха снаружи, и песчинки стремятся туда, где давление меньше.

В насыщенном водой песке песчинки уже не связаны отдельными, затрудняющими движение жидкими мостиками. Наоборот, вода играет роль смазки, и песок уплотняется, превращаясь в компактную массу. Опытные строители песчаных замков сбрызгивают свои творения водой. Песок на поверхности впитывает воду, и создаются отдельные водяные мостики, удерживающие конструкцию. Если оставить песчаный замок сохнуть, вода испаряется с его внешней поверхности, мостики разрушаются и замок осыпается.

У мокрого песка на пляже силы сцепления больше, чем у чистого песка (кварца), поскольку в его состав входят частички глины и органических соединений, обеспечивающие дополнительные связи между песчинками. Кроме того, на пляже слой песка бывает покрыт соляной коркой, что еще увеличивает силы сцепления. В зоне наката, где волны периодически заливают берег, в песок с водой попадают воздушные пузырьки, и его структура становится более рыхлой. Таким образом, твердость песка существенно меняется по мере того, как вы спускаетесь на пляж по сухому песку, затем идете к воде по аэрированному (с большим количеством пузырьков воздуха) влажному песку, затем по мокрому песку и наконец заходите в море, где под ногами у вас покрытый водой, насыщенный влагой песок.

Предположим, вам налили плохой кофе (вроде того, что часами держат горячим в забегаловках). Почему поверхность кофе выглядит по-разному, когда вы погружаете в стаканчик чайную ложечку, а затем вытаскиваете ее? Без ложки поверхность кофе теряет всякий глянец и выглядит непривлекательно. Еще неприятнее смотреть на такой кофе, когда ложка находится в стакане: на поверхности видны маленькие блестящие кружочки.

ОТВЕТ • Как правило, сразу можно заметить, что кофе плохой: его поверхность покрыта маслянистым слоем, который делает напиток тусклым и неаппетитным. На ложке, которую вы опускаете в стакан, может остаться вещество, которое, растекаясь по поверхности кофе, заставит масло в поверхностном слое собраться в капли. Поскольку поверхность капель искривлена, они становятся маленькими рефлекторами, отражающими свет любого светильника на потолке. Так на поверхности кофе появляется много ярких кружков. Когда ложку вынимают, маслянистый слой восстанавливается и большинство рефлекторов исчезает.

Почему в бокале крепкого алкогольного напитка, вина или не слишком крепкой водки над жидкой поверхностью образуются капли (их называют «слезы» вина), которые растут и стекают вниз по стенке бокала (рис. 2.27)?

Рис. 2.27 / Задача 2.88. «Слезы» в бокале над поверхностью крепкого вина.

ОТВЕТ • Обычно поверхность воды слегка поднимается по стенкам стакана благодаря тому, что, во-первых, молекулы стекла притягивают молекулы воды (это называется адгезией, или сцеплением поверхностей разнородных тел) и, во-вторых, молекулы воды притягиваются друг к другу (это называется когезией, характеризующей связность воды). Как результат адгезии и когезии уровень воды вблизи стенки повышается и поверхность воды возле стенки искривляется.

Молекулы на поверхности жидкости притягиваются друг к другу и сближаются, благодаря чему поверхность жидкости находится в напряженном состоянии. Следовательно, поверхностное натяжение — характеристика поверхности жидкости. Если в бокал налито вино, жидкая пленка поднимается по его стенке гораздо выше, что связано с разным поверхностным натяжением жидкости в объеме и в поднявшейся пленке. У воды поверхностное натяжение достаточно велико, а у смеси спирта с водой оно меньше. Когда такая смесь начинает подниматься по стенке бокала, спирт быстро испаряется и на стенке остается практически водяная пленка. Поскольку поверхностное натяжение воды больше, чем у смеси спирта с водой, жидкость из объема бокала интенсивно затягивается в слой на его стенке. Слой становится толще, его верхний край подтягивается выше благодаря адгезии между жидкостью и стеклом, так что пленка поднимается выше, чем в стакане с водой.