Чому крапля кругла?

Напевно ви звертали увагу, що хаотично розкидані краплі завжди мають круглу форму. Чому крапля кругла?

Якщо уважно придивитися, то побачимо, що форма краплі зовсім не ідеально кругла. Наприклад, якщо дивитися знизу на краплі дощу, то вони здаються майже плоскими. Ідеальний куля можливий лише в умовах невагомості. А оскільки ми знаходимося на Землі, крапля (як і всі тіла на нашій планеті) піддається впливу сили тяжіння. Це робить її злегка сплюсненої. Тому за формою крапля скоріше не куля, а еліпсоїд, хоча і з дуже малою міжфокальною відстанню.

Яка ще сила, крім сили тяжіння, діє на краплю? Сила поверхневого натягу. Щоб пояснити, як вона діє, звернемося до курсу молекулярної фізики. Поверхня краплі можна розглядати як плівку, що складається з молекул, причому молекули її зовнішніх шарів знаходяться не в рівних умовах з молекулами внутрішніх. Молекули зовнішнього шару плівки мають більшу вільної енергією. Прагнучи скинути надлишок енергії і намагаючись проникнути у внутрішні шари краплі, вони створюють тиск. Вектор сили тиску завжди спрямований до центру краплі. А та сила, з якою молекули зовнішніх шарів краплі тиснуть на молекули внутрішніх шарів, називається силою поверхневого натягу.

Таким чином, чим менше краплі, тим вони більш круглі – їх збирає в кулю сила поверхневого натягу. А ось краплі побільше мають витягнуту форму, тому що вони занадто важкі і цієї сили вже недостатньо для того, щоб утримати їх у формі кулі.

Але питання залишається відкритим: чому ж все-таки куляста форма? Вищевикладена теорія не цілком це пояснює. Справа в тому, що на кульової поверхні все молекули, що знаходяться на ній, знаходяться в рівному енергетичному стані. Іншими словами, кульова поверхню найбільш енергетично стабільна, оскільки системі саме такий стан найбільш вигідно. Взагалі, куля – найкомпактніший форма в природі.

Якщо краплю розтягнути, то молекули, що знаходяться на розтягнутих областях, набувають більш високу надлишкову енергію. Прагнучи скинути надлишок енергії, молекули знову повертають краплю в початковий стан, що в підсумку призводить систему в рівновагу.

Як випливає з вищесказаного, поверхневий натяг як би тримає воду в пружною «шкірці» – оболонці. Ця оболонка змушує висіти краплю на кінці водопровідного крана. Якщо ж крапля стає занадто великий, оболонка не витримує, рветься, і крапля падає.

Саме завдяки силі поверхневого натягу крихітне комаха водомір може ходити по поверхні води, не занурюючись в неї. А ящірка василіск прямо по поверхні води може спокійно перебігти річку або маленьке озерце.

Чи можна зробити краплю води плоскою? Так, і дуже просто. Треба акуратно доторкнутися до неї кінчиком намиленої соломинки. Крапля стає плоскою тому, що мило послаблює поверхневий натяг води – і його сили вже не вистачає на те, щоб утримувати крапельку в формі кулі.

Як виходять мильні бульбашки? Коли ми додаємо у воду мило, сила поверхневого натягу зменшується, а поверхня води як би розтягується і стає більш еластичною – настільки еластичною, що в неї можна вдути повітря і при цьому вона розтягнеться в міхур. Це трохи схоже на те, як якщо б ми набрали воду в повітряну кульку.

Таким чином, крапля води не кругла, а еліпсоїдна. Оболонки різних рідин мають різну ступінь міцності. Наприклад, спирт має меншу поверхневий натяг, ніж вода, тому утворює більш дрібні краплі. А ртуть, навпаки, має поверхневий натяг в 6 разів більше, ніж у води, тому коли розбивається термометр, вона розпадається на безліч дрібних кульок.

...
ПОДІЛИТИСЯ: