6. Поверхностное натяжение жидкостей и его значение для живых организмов

Поверхностное натяжение можно определить как бесконечно малую (элементарную) работу δA, которую нужно совершить для увеличения площади поверхности жидкости на бесконечно малую величину dS при постоянной температуре. больше поверхностное натяжение, тем труднее растягивается пленка жидкости. Поверхностное натяжение зависит от температуры. Например, для воды с ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается. Жидкость может смачивать или не смачивать поверхность, на которую она налита. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам поверхности, происходит смачивание, в противном случае – несмачивание. Поверхностное натяжение проявляется и в случае поднятия жидкости в капиллярных трубках. Например, в капиллярах стеблей травянистых растений за счет смачивания вода поднимается на несколько сантиметров. Если жидкость не смачивает капилляр, она не входит в него, – опускается относительно основного уровня на определенную высоту h.

Пчелы извлекают нектар из цветка посредством очень тонкой капиллярной трубки, находящейся внутри пчелиного хоботка. Если пузырек воздуха попадет в кровеносный сосуд небольшого диаметра, то из-за сил поверхностного натяжения может наступить закупорка сосуда (пузырек как бы прилипает к стенкам сосуда и перекрывает его). Это явление называется газовой эмболией. Поэтому при инъекциях нельзя допускать попадания в иглу шприца пузырьков воздуха. Для этого перед инъекцией всегда сбрасывают немного жидкости из шприца. Кроме того, листья и плоды многих растений не смачиваются водой (покрыты восковым налетом), что предохраняет их от загнивания в дождливые периоды. Водяной клоп водомерка свободно передвигается по поверхности воды благодаря тому, что его лапки тоже покрыты липидным слоем и не смачиваются. Оперение водоплавающих птиц предохраняется от намокания следующим образом. Плотное переплетение перьевых и пуховых бородок образует упорядоченную структуру. Жирные выделения расположенной у основания хвоста копчиковой железы, наносимые клювом на перья, сохраняют эту структуру и создают водоотталкивающую (несмачивающуюся) поверхность. Водонепроницаемости также способствуют многочисленные пузырьки воздуха, заключенные в тончайших полостях слоев оперения. Для уменьшения поверхностного натяжения воды используют различные поверхностно-активные вещества (ПАВ) Поверхностное натяжение биологических жидкостей всегда меньше, чем у чистой воды. Это обусловлено наличием в организме биологически активных ПАВ, снижающих поверхностное натяжение (белки, фосфолипиды и др.). Недостаток ПАВ в организме приводит к тяжелым патологиям, например, к асфиксии (удушью) – невозможности растянуть легкие для первого вдоха у новорожденных из-за повышенного поверхностного натяжения, сжимающего поверхность альвеол.

7. Гидростатическое давление жидкости. Закон Архимеда

В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим давлением. Жидкость оказывает силовое воздействие на дно и стенки сосуда. Частицы жидкости, расположенные в верхних слоях водоема, испытывают меньшие силы сжатия, чем частицы жидкости, находящиеся у дна. Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях.

Закон Архимеда: выталкивающая сила F_A, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна весу жидкости, вытесненной телом, приложена к центру масс вытесненного объема и направлена против силы тяжести:

FA = ρgVп, (6.2) где Vп – объем части тела, погруженной в жидкость.

Если вес тела равен архимедовой силе (весу вытесненной им жидкости), тело плавает на поверхности или внутри жидкости, если больше – тонет. Плавают не только тела меньшей, чем у жидкости плотности, но и полые тела. Если плотности равны, тело может находиться в любом месте внутри жидкости (медузы, рыбы).