2. Контрольні запитання

1. Що таке деформація? Розкажіть про прості види деформації.

2. Поясніть виникнення сил пружності при різних видах деформацій з врахуванням сил міжмолекулярної взаємодії?

3. Дайте визначення напруги, що виникає в твердому тілі при деформації. Сформулюйте закон Гука.

4. Що таке модуль Юнга? В яких одиницях він визначається?

5. Розкажіть про діаграму напруг. Приведіть приклади крихких і пластичних тіл. Дайте визначення межі міцності.

6. Як визначається модуль пружності в даній роботі.

6. Література

1. Мерион Дж.Б. Общая физика с биологическими примерами. -М.: Высш. шк., 1986. - 624 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1.-М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит. 1989.- 416 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособ. для вузов. - М.: Высш. шк., 1994- 542 с.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4

Вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу

Мета роботи: провести вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу води методом компенсації різниці тиску її поверхневого шару та методом Жюлі.

Необхідні прилади та матеріали: установка для визначення поверхневого натягу методом Жюлі та компенсації різниці тиску її поверхневого шару, досліджувана рідина.

1. Короткі теоретичні відомості

На відміну від газу, молекули якого майже не взаємодіють, рідина складається з молекул, що інтенсивно взаємодіють між собою. Молекули, що знаходяться на поверхні рідини, існують в умовах, відмінних від тих, в яких знаходяться молекули всередині рідини. В глибині рідини кожна молекула оточена з усіх боків такими ж молекулами. Тому сили, що діють на неї з боку всіх її сусідів, компенсуються. Навпаки, всяка молекула на поверхні, оточена молекулами не з усіх боків, тому сума сил з боку сусідів не рівна нулю – їх рівнодійна направлена всередину рідини (рис.1).

Таким чином, поверхневий шар чинить на всю рідину тиск, званий молекулярним тиском. Молекулярний тиск достатньо великий – порядка десяти тисяч атмосфер. Цим пояснюється практично мала стисливість рідин: зовнішній тиск величиною навіть в кілька сотень атмосфер є лише невеликою добавкою до внутрішнього тиску.

Очевидно, молекули поверхневого шару володіють більшою потенціальною енергією, ніж молекули в шарі рідини. Саме тому за відсутності яких-небудь сил, окрім сил міжмолекулярної взаємодії, рідина приймає таку форму, при якій її площа мінімальна за даного об'єму, тобто форму сфери. В реальних умовах на рідину діє також сила тяжіння і сила взаємодії між молекулами рідини та молекулами твердого тіла, з яким контактує рідина (наприклад, стінки посудини). Істинна форма рідини визначається “балансом” цих трьох сил. Плоска форма поверхні рідини пояснюється тим, що сила тяжіння перевершує решту діючих на молекули сил. Викривлення поверхні біля країв посудини, що містить рідину (меніск), пояснюється впливом сил взаємодії молекул рідини і твердого тіла.

Оскільки молекули поверхневого шару володіють підвищеною потенціальною енергією (поверхневою енергією), то всяка зміна площі поверхні пов'язана із здійсненням роботи. Якщо поверхня рідини зменшується, то роботу виконує рідина. Навпаки, для збільшення площі поверхні повинна бути здійснена робота зовнішніх сил. Очевидно, що виконана робота повинна бути рівна зміні поверхневої енергії, а остання пропорційна зміні площі. Якщо площа поверхні змінюється на величину , то зміна енергії і рівна їй по модулю робота рівні:

(1)

Коефіцієнт пропорційності , що входить в цей вираз, називається коефіцієнтом поверхневого натягу рідини, який має зміст роботи, що виконується при зміні площі поверхні рідини на одиницю.

Формула (1) може бути представлена і в іншому, не енергетичному, а силовому вигляді. Для цього уявимо собі деяку поверхню рідини площею, обмеженою прямокутним контуром – лінією розділу (рис.2).

Хай одна із сторін контура – сторона АВ, завдовжки l рухома і під дією сили F переміщається на відстань , так, що поверхня збільшується на величину . Сила, що змістила межу розділу АВ здійснила роботу . Оскільки , то . Отже,

(2)

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу є силою, що діє на кожну одиницю довжини будь-якої лінії розділу на поверхні рідини. Поверхневий шар поводиться так, ніби він є пружною плівкою, натягнутою на рідину, на яку діє сила, дотична поверхні, перпендикулярно лінії розділу на ній. Ця сила називається силою поверхневого натягу. З формули (2) виходить, що вона рівна

(3)

Вимірюється в ньютонах на метр (у системі СІ). Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від роду рідини і від температури. Для даної рідини зменшується з підвищенням температури.

Коефіцієнт поверхневого натягу є важливою константою рідини, оскільки він пов'язаний з міжмолекулярними силами. Знання його необхідне для розрахунку капілярних явищ, він важливий для оптимізації різних технологічних процесів. В медицині капілярні явища мають велике значення для пояснення роботи крапельниці, механізму виникнення газової, жирової та тромбоемболії, для процесів, що протікають в організмі на клітинному та молекулярному рівнях, на межі розділу двох середовищ. Тест на визначення коефіцієнту поверхневого натягу є доречним при діагностиці захворювань, так як числове значення коефіцієнту поверхневого натягу слюни, сечі, грудного молока, плазми крові змінюється при умові наявності патології.

Отже вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу має важливе наукове і технічне значення.