1) Метод отрыва кольца

Этот метод основан на явлении смачивания.

Экспериментальная установка состоит из тонкого легкого кольца, подвешенного на длинной пружине из тонкой проволоки, способной удлиняться на значительную величину по действием малой силы, и широкого сосуда, заполненного жидкостью для фиксации положения нижнего конца пружины к ней припаян тонкий горизонтальный диск-индикатор, а установка снабжена зеркальной шкалой (рис. 1).

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Если кольцо опустить в воду, а потом начать медленно сливать воду через сливное устройство вблизи дна сосуда, то вследствие смачивания в процессе понижения уровня жидкости вслед за кольцом вытянется водяной цилиндрик (рис.2). Сила поверхностного натяжения , где– внешняя и внутренняя граница поверхностей водяного цилиндрика, будут удерживать кольцо до тех пор, пока не уравновесится упругой силой пружины. В момент, когда, кольцо оторвется от жидкости.

Зная коэффициент упругости пружины и отметив по шкале положение диска-индикатора в момент отрыва кольца, можно рассчитать коэффициент поверхностного натяжения жидкости по формуле

2) Метод отрыва капель

Этот метод тоже основан на явлении смачивания. Экспериментальная установка включает капельницу со съемным капиллярным наконечником и небольшой сосуд (стаканчик).

В процессе медленного, по каплям, вытекания жидкости из цилиндрического капилляра, происходит формирование капли на конце капилляра (рис. 3). Висящая на конце смачиваемого ею капилляра радиусом капля, удерживается силами поверхностного натяжения до тех пор, пока ее вертикальная составляющая

не станет равной силе тяжести капли . определив массу капли и измерив наружный радиус капилляра можно рассчитать коэффициент поверхностного натяжения

Это идеальная модель отрыва капли. Реально отрыв капли происходит по радиусу, несколько меньшему, чем внешний радиус капилляра, и часть жидкости остается на трубке. Учет этих поправок приводит к преобразованию расчетной формулы к виду

3) Метод измерения по добавочному давлению Лапласа

Этот метод основан на измерении добавочного давления, возникающего под искривленной поверхностью жидкости. Величина добавочного давления определяется коэффициентом поверхностного натяжения и радиуса кривизны поверхности.

Экспериментальная установка состоит из трубки малого радиуса (капилляра) закрепленной на штативе и соединенной с манометром и сильфоном, сосуда с жидкостью, подпружиненного столика катетометра.

Рис.4

Если опустить трубку в сосуд с жидкостью и создать в трубке добавочное давление , то при этом из трубки выдуется часть газа в виде сферического пузырька (рис. 4).

Чтобы найти, как связано добавочное давление (его называют давлением Лапласа) с радиусом пузырька, представим, что в трубку помещен поршень. Если переместить его на малое расстояние вниз, то объем газа, будет вытолкнут из трубки в пузырек, объем пузырька увеличится на. Общий же объем газа в трубке и пузырьке не изменится, т.е. газ в этом процессе работы не совершит. А мы, двигая поршень, совершим работу, равную. Эта работа пойдет на увеличениеплощади поверхности жидкости в пузырьке. По определению коэффициента поверхностного натяжения эта работа равна.

Таким образом, мы получим, что . Так как пузырек сферический и имеет радиус, тои. Найдем дифференциалы этих выражений:

;

;

Подставим в рассматриваемые уравнения и получим:

Это частный случай формулы Лапласа. Мы нашли величину того избыточного давления газа на поверхность жидкости, которое во всех ее участках изгибает ее одинаково, поэтому придает сферическую форму данной кривизне.

Можно сделать и обратное заключение. Если поверхность жидкости изогнута, а радиус ее кривизны , то эта поверхность давит на газ в одну сторону к центру кривизны с избыточным давлением. Измерив давление Лапласа и радиус кривизны выдуваемого из трубки пузырька, можно по полученной формуле Лапласа вычислить коэффициент поверхностного натяжения.

Измерение давления можно произвести жидкостным манометром по разности уровней жидкости в нем:, где– плотность манометрической жидкости.

Сложнее в экспериментальном отношении обстоит дело с измерением радиуса кривизны пузырька . Чтобы получить заметное, достаточное для более или менее точного измерения давления, нужно брать радиус кривизны пузырькадостаточно малым и поэтому трудно измеряемым. Поэтому радиус пузырька обычно непосредственно не измеряют, а поступают иначе рассмотрим радиус кривизныпузырька в процессе его выдувания из трубочки.

Из рисунка 5 видно, что по мере выдувания все большего объема воздуха в растущий пузырек, радиус кривизны пузырька сперва уменьшается (рис. 5а, б, в), а затем растет (рис. 5г).

Рис.5

Для большей наглядности при оценке радиусов кривизны изогнутая поверхность жидкости (изображена

жирной линией) продолжена воображаемой поверхностью до полной сферы. Таким образом, величина радиуса кривизны пузырька проходит через минимальное значение (рис. 5в). В этот момент радиус кривизныравен радиусу трубочки:.

Из формулы Лапласа следует, что моменту, когдаминимально соответствует максимальное давление Лапласа:

Итак, для вычисления коэффициента поверхностного натяжения жидкости достаточно измерить максимальное давление Лапласа, необходимое для выдувания пузырька в эту жидкость, а также радиус трубки, из которой выдувается пузырек: