«Загадка водомерки»


III гимназическая ученическая научно-практическая конференция «Путь к успеху»
Проектная работа
«Загадка водомерки»
Выполнил:
Коростелев Иван Олегович,
ученик 11 «А» класса
МБОУ гимназии г. Гурьевска
Руководитель:
Матвеева Вера Владимировна,
учитель физики и астрономии
МБОУ гимназии г. Гурьевска
Гурьевск 2016
Паспорт проекта
Предмет Физика
Возрастная категория 17
Тип проекта Информационно-исследовательский
Название проекта Загадка водомерки
Руководитель проекта Матвеева Вера Владимировна, учитель физики и астрономии МБОУ гимназии г. Гурьевска
Исполнители проекта Коростелев Иван Олегович
Цель Исследование поверхностного натяжения, проведение экспериментов, доказывающих его существование
Задачи 1. Найти и изучить источники информации в популярной литературе и интернете.
2. Изучить поверхностное натяжение на наглядных примерах.
3. Провести опыты.
Объект исследования Поверхностное натяжение
Актуальность исследования: Как-то раз я увидел, как водомерка бегает по обыкновенной воде. Меня заинтересовало, почему она не тонет. Причиной оказалось поверхностное натяжение, вызвавшее у меня огромный интерес. При изучении данного явления я узнал об огромной его роли и практическом применении.

Теоретические основы работы
Что такое поверхностное натяжение.
Сила поверхностного натяжения – это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности.
Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл —энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.
Понятие «поверхностное натяжение» впервые ввел Янош Сегнер (1752 год).

Проявления
Так как появление поверхности жидкости требует совершения работы, каждая среда «стремится» уменьшить площадь своей поверхности:
в невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех тел одинакового объёма).

• струя воды «сливается» в цилиндр.

маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения оказывается уравновешенной силой поверхностного натяжения.
некоторые насекомые (например, водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.

На многих поверхностях, именуемых не смачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.

Роль поверхностного натяжения
Что было бы без поверхностного натяжения:
Нарушился бы водный режим почвы, что оказалась бы гибельным для растений.
Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы.
Пострадали бы важные функции нашего организма.
Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила большую кляксу.
Применение поверхностного натяжения
В медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением. Установлено, что вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. Она легче вступает в молекулярные взаимодействия, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения.

Непрерывно растут объёмы печати на полимерных плёнках благодаря бурному развитию упаковочной индустрии, высокому спросу на потребительские товары в красочной полимерной упаковке. Важное условие грамотного внедрения подобных технологий — точное определение условий их применения в полиграфических процессах. В полиграфии обработка пластика перед печатью необходима для того, чтобы краска ложилась на материал. Причина заключается в поверхностном натяжении материала. Результат определяется тем, как жидкость смачивает поверхность изделия.
Смачивание считается оптимальным, когда капля жидкости остается там же, где она была нанесена. В других случаях жидкость может скатываться в каплю, либо, наоборот, растекаться. Оба случая в равной степени приводят к отрицательным результатам во время переноса краски.

Пове́рхностно-акти́вные вещества́ (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.
Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю.
Моющие средства. Основное применение ПАВ — в качестве активного компонента моющих и чистящих средств (в том числе, применяемых для дезактивации), мыла, для ухода за помещениями, посудой, одеждой, вещами, автомобилями и пр. 

Косметика. Основное использование ПАВ в косметике — шампуни, где содержание ПАВ может достигать десятков процентов от общего объёма. Также ПАВ используются в небольших количествах в зубной пасте, лосьонах, тониках и других продуктах.

Металлургия. Эмульсии ПАВ используются для смазки прокатных станов. Снижают трение. Выдерживают высокие температуры, при которых сгорает масло.

Защита растений. ПАВ широко используются в агрономии и сельском хозяйстве для образования эмульсий. Используются для повышения эффективности транспортировки питательных компонентов к растениям через мембранные стенки.

Пищевая промышленность. ПАВ в виде эмульгаторов добавляют для улучшения вкусовых качеств мороженого, шоколада, взбитых сливок, соусов для салатов и других блюд.

Теплоэнергетика. ПАВ применяются для обработки функциональных поверхностей систем теплоснабжения, а также рабочих поверхностей теплообменного оборудования с целью повышения гидрофобности и увеличения краевого угла смачиваемости, что приводит к ряду положительных эффектов, таких как: многократное снижение скорости протекания коррозионных процессов; уменьшение гидравлического сопротивления; удаление накопившихся отложений с поверхностей оборудования и трубопроводов и предотвращение образования новых отложений.
5) Поверхностное натяжение в мыльных пузырях.
Мыльный пузырь — тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью. Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул, чаще всего мыла.
Пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют поверхностно-активные вещества, например, мыло и глицерин. Мыльный пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости имеет некоторое поверхностное натяжение. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность. Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp. Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь πR2 сечения.
Так как пленка мыльного пузыря имеет две поверхности, то избыточное давление внутри него в два раза больше: ∆𝑝=4𝜎𝑅.
Условие равновесия для мыльных пузырей записывается в виде:
σ4πR = ΔpπR2
С поверхностью жидкости связана свободная энергия: E= σ*S
где σ — коэффициент поверхностного натяжения, S — полная площадь поверхности жидкости.

Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Наименьшую площадь поверхности при данном объеме имеет сфера, следовательно, силы натяжения формируют сферу.
Почему мыльный пузырь переливается? Когда свет падает на поверхность, мыльного пузыря, часть световых волн сразу же отражается. Часть остальных проходит через стенку пузыря, преломляется в ней и затем отражается от внутренней поверхности. Когда эти волны встречаются с волнами, отраженными от внешней поверхности, их гребни и впадины не всегда выстраиваются одинаково. Если гребни и впадины совпадают, волны усиливают друг друга. Если гребни и впадины не совпадают, волны ослабляют друг друга в явлении, называющемся интерференцией волн. В результате на мыльной пленке появляется радуга, поскольку переменная толщина пленки приводит к образованию интерференционных узоров и отражению света в виде лучей различного цвета с собственной длиной волны.

Практическая часть работы
Эксперименты с поверхностным натяжением
Опыт 1. Оборудование: холодная вода, емкость с большой площадью поверхности, лак для ногтей нескольких цветов, зубочистка.
Этапы эксперимента:
Наливаем холодную воду в сосуд с большой площадью поверхности.
Капаем лак для ногтей на поверхность воды.
Капаем лак другого цвета, далее другого и так далее.
Зубочисткой рисуем рисунок.
Опускаем в воду предмет, которые хотим покрасить.
Суть опыта:
Капаем в воду одну каплю лака для ногтей (она растекается по поверхности воды). Лак другого цвета капаем в центр предыдущей капли и так далее, чем больше цветов и циклов, тем красочнее. После завершения циклов зубочисткой рисуем узоры из получившихся кругов. Делать все нужно быстро, пока не высох лак. Потом в эту узорную пленку опускаем все, что хотим покрасить. Рисунок отпечатался! 
Опыт 2. Оборудование: тарелка, молоко, жидкое мыло, ватные палочки,
краски.
Этапы опыта:
Наливаем молоко в тарелку.
Капаем по несколько капель краски в молоко.
Обмакиваем две ватные палочки в жидкое мыло и погружаем их в тарелку с молоком.
Суть опыта:
При добавлении краски в молоко, на поверхности образуются красивые разливы от краски. При добавлении жидкого мыла, краска сбивается в полоски и образуют неожиданные рисунки на поверхности молока.
Опыт 3. Оборудование: куб из конструктора ZoomTool (12мм), большая прозрачная ёмкость, мыльные пузыри 8 литров, соломенная трубочка.
Этапы опыта:
Наливаем мыльные пузыри в большую прозрачную ёмкость.
Вносим в неё куб (полностью опускаем в ёмкость).
Вытаскиваем куб и трясем его пока грани не соединятся в одну.
Опускаем соломенную трубочку в мыльные пузыри.
Вдуваем мыльный пузырь (кубической формы) в кубе.
Выводы
Изучая поверхностное натяжения, я открыл для себя много нового: без поверхностного натяжения многие явления природы просто не состоялись бы, а насколько огромна область его применения. Очень хотелось бы, чтобы эту тему вернули в школьную программу базового уровня, так как это очень интересное явление. Может быть, я продолжу изучение этой темы в университете.
Информационные ресурсы
Телепередачи
Галилео. Выпуск 569.
Источники интернета
1.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
2.http://physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph5/theory.html#.VulKPvmLTcs
3.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE-%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0
4. simplescience.ru/video/about:surface/


Приложенные файлы

  • docx file 9 doc
    Паспорт проекта "Загадка водомерки"
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 1