Фотографії плаваючих тіл

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 67

Прийшла весна. Настав час садити квіти на дачі. Щоб насіння добре сходило, їх рекомендують до посадки замочувати у воді. Ми кинули насіння настурції в тарілку з водою. Спочатку вони були розподілені рівномірно по поверхні води. Але раптом насіння «ожило» і почало плисти одне до одного! У міру зближення вони прискорювалися. Через кілька хвилин насіння на воді організували плавучі ланцюжки і острівці. Після чого рух закінчився.

Ці спостереження нас так здивували, що ми стали відчувати інші плаваючі предмети: спили гілок, кришечки від молочних пляшок і банок, що плавають парафінові свічки і парникові помідори. Виявилося, що однакові плаваючі предмети притягуються. А ось неоднакові поводяться по-різному: одні притягуються, а інші розштовхуються.

Щоб розібратися в тому, що відбувається, давайте подивимося на поверхню води в скляній склянці. Поверхня води виглядає пласкою тільки далеко від стінок склянки. Поруч зі склом поверхня води викривляється: біля стінки вода піднімається вгору. Як кажуть, вода змочує скло. Але вона не завжди поводиться так. Якщо налити воду в парафінову склянку, то ми побачимо, що рівень води буде опускатися в міру наближення до парафінової стінки. Парафін не змочується.

Які сили піднімають або опускають воду поблизу стінки? Вода складається з молекул, які можна розглядати як маленькі жорсткі кульки, що притягуються один до одного. Звернемо увагу на те, що стан молекули води на її поверхні відрізняється від стану такої ж молекули води, що знаходиться далеко від поверхні. На молекулу, що знаходиться всередині води, сили з боку найближчих сусідів діють в усі боки. Водночас у молекули води, що знаходиться на поверхні, сусіди зверху відсутні. Отже, на молекулу води біля поверхні діятиме сумарна сила, спрямована всередину рідини. Завдяки цій силі молекула води біля поверхні не вилітає з рідини. Поверхневі сили і сила тяжкості визначають форму поверхні рідини. Наприклад, крапелька, що вільно падає, стискається з усіх боків своїм поверхневим шаром. Це визначає її сферичну форму. Ці ж поверхневі сили забезпечують всередині крапельки тиск, більший атмосферного.

Молекули води притягуються не тільки до молекул води, а й до молекул інших матеріалів. Сили тяжіння молекул води до молекул скла більше, ніж сили тяжіння молекул води між собою. Тому вода змочує скло, тобто рівень води підвищується біля стінок склянки. А сили тяжіння води до парафіну набагато менше сил тяжіння між молекулами води. Тому вода не змочує парафін, і рівень води біля стінки знижується.

На фотографіях — плаваюча свічка в келиху з водою. Вода змочує скло і не змочує парафін свічки. Перш ніж зробити ці фотографії, ми почекали кілька хвилин. Свічка встановилася в центрі келиха! Це і зрозуміло. Свічка зісковзує з гірок, утворених водою і склом, в найнижчу точку. Ось чому смочувані і незмочувані плаваючі тіла розштовхуються!

Для перевірки цієї гіпотези ми змінили форму поверхні води в келиху. Для цього акуратно долили воду так, щоб келих виявився заповнений водою «з верхи». Верхня точка води тепер у середині келиха. Свічка, як ми і очікували, зісковзнула до краю. Щоб подивитися, як відштовхування від стінки замінюється тяжінням, виявилося зручним додавати воду медичним шприцом.

Щоб зрозуміти, чому однакові плаваючі предмети (змочувані або невмочувані) притягуються, ми провели додаткові досліди: опустили два плоских стекли, що знаходяться на невеликій відстані один від одного, у воду. Сили тяжіння води до скла підняли рівень води на помітну висоту! Чим ближче знаходяться скла, тим вище піднімається вода. Щоб простежити залежність висоти підйому води від величини зазору між пластинами, ми склали пластини у вигляді привідкритої книжки. З одного боку пластини сходяться впритул, а з іншого — розходяться на відстань у кілька міліметрів. На фотографії видно межу води і повітря. При малих відстанях між пластинами крива дуже схожа на гіперболу. Це вказує на пропорційну залежність висоти підйому від відстані між пластинами. Постараємося розібратися, які сили діють на пластини. Для цього представимо схематично вид збоку.

Схема 1 (ліворуч) і 2

На схемі 1 зображені дві паралельні чисті скляні пластини, опущені у воду. На схемі 2 — пластини, покриті парафіном (не змочувані водою). У повітрі і в точках 1, 2, 3 на обох схемах (відповідно до закону Паскаля) тиск атмосферний: P_A. Тоді на першій схемі в піднялася між пластинами воді тиск менше атмосферного. Повітря зовні пластин буде тиснути сильніше, ніж вода між пластинами. Пластини будуть притягуватися. Дивно, що в разі невмочних пластин вони теж будуть притягуватися! Щоб зрозуміти це, треба порівняти тиск води в точці 4 і тиск повітря в точці 2 на другій схемі.

Фото: VirtualSteve, commons.wikimedia.org

Рівень води між плаваючими тілами змінюється, як і в разі опущених у воду пластин. У разі змочування і несмочування плаваючих тіл тиск із зовнішнього боку виявляється більше, ніж між ними. Це призводить до їх тяжіння. Чим менша відстань між тілами, тим більша зміна рівня води в зазорі між ними. Тому сила тяжіння зростає при зближенні плаваючих предметів.

Фото: Martipal, commons.wikimedia.org

Після того як ми помітили взаємодію вільно плаваючих предметів, ми виявили, що результат дії цих сил можна знайти майже в кожній водоймі. Наприклад, на фото ряски і жаб, які ми знайшли в інтернеті. Жаба, напевно, не здогадується, які сили тягнуть її до плаваючого листя. (Чи значні ці сили — спробуйте оцінити самі.) Подивитися тяжіння і відштовхування плаваючих тіл в динаміці можна в інтернеті. Хоча, звичайно, краще спробувати поставити свої власні досліди.

Фото (крім двох останніх): Гліб Інгман, Леонід Св

Художник Марія Усеїнова