Физика 8 класс учебник Перышкин, Иванов - страница 13

   Смачивание — это когда жидкость растекается по поверхности чего-то твёрдого, когда они встречаются вместе с воздухом (или другой жидкостью). Это происходит потому, что жидкость «любит» прилипать к твёрдой поверхности сильнее, чем её собственные частицы любят держаться друг за друга.

   Примеры, когда жидкость хорошо растекается по поверхности (смачивание):
   Представьте, как капля воды ложится на чистое оконное стекло или гладкую деревянную поверхность. Она не остается шариком, а как бы "размазывается", покрывая поверхность тонким слоем.
   Когда вы проливаете воду на хлопковую футболку, ткань моментально впитывает влагу, как губка.

   Примеры, когда жидкость собирается в шарики и не растекается (несмачивание):
   Если на стекле есть жирный след или слой воска, капля воды будет вести себя как маленький шарик, не желая растекаться по поверхности.
   На листьях некоторых растений, например, лотоса, или на перьях уток, вода просто скатывается, словно по гладкой, скользкой поверхности, не оставляя следа.
   Ртуть, когда попадает на стекло, собирается в почти идеальные круглые капельки, как будто не хочет касаться стекла.

   Почему так происходит (объяснение с точки зрения движения мельчайших частиц):
   Смачивание случается тогда, когда молекулы жидкости очень сильно "дружат" с молекулами поверхности, к которой прикасаются. Эти силы притяжения между разными частицами (жидкости и поверхности) оказываются сильнее, чем силы притяжения между самими молекулами жидкости. Из-за этого жидкость "прилипает" к поверхности и стремится покрыть ее как можно большую площадь.
   Несмачивание происходит, когда молекулы жидкости "предпочитают" держаться друг за друга сильнее, чем за молекулы поверхности. Силы, которые удерживают молекулы жидкости вместе, оказываются мощнее, чем силы, которые могли бы их притянуть к поверхности. Поэтому жидкость старается уменьшить площадь соприкосновения с поверхностью и собирается в капли.

   Под капиллярными явлениями подразумеваются процессы изменения уровня жидкости в узких каналах, таких как капилляры или пористые структуры, по сравнению с уровнем в более широком объеме. Эти эффекты возникают вследствие адгезии (смачивания) или отталкивания (несмачивания) жидкости от поверхности капилляра, а также под воздействием сил поверхностного натяжения.

   Уровень, на который поднимается жидкость в капилляре, определяется совокупностью нескольких физических величин:
   Радиус капилляра: Обратно пропорционален высоте подъема; уменьшение радиуса ведет к увеличению высоты.
   Коэффициент поверхностного натяжения: Прямо пропорционален высоте подъема; более высокое поверхностное натяжение способствует большему подъему.
   Плотность жидкости: Обратно пропорциональна высоте подъема; увеличение плотности приводит к снижению высоты.
   Смачиваемость поверхности: Характеризуется краевым углом. Жидкости, хорошо смачивающие стенки капилляра (малый краевой угол), поднимаются, в то время как несмачивающие жидкости (большой краевой угол) опускаются.

   Математически эта зависимость выражается формулой Жюрена:

h = 2σcosθ/ρgr
где:
h — высота подъёма жидкости;
σ — коэффициент поверхностного натяжения;
θ — краевой угол смачивания;
ρ — плотность жидкости;
g — ускорение свободного падения;
r — радиус капилляра.

   Обычное решето не удерживает воду, потому что отверстия в нём слишком велики, и вода свободно протекает сквозь них под действием силы тяжести.
   Чтобы носить воду в решете, нужно сделать его поверхность несмачиваемой для воды. Этого можно достичь, пропитав решето жиром или воском.
   Жир или воск создают на поверхности решета гидрофобный слой, который заставляет воду образовывать капли и не позволяет ей свободно протекать через отверстия из-за действия сил поверхностного натяжения.

   Средства для ухода за обувью, представленные в виде кремов и спреев, обогащены гидрофобными компонентами, среди которых преобладают воски, липиды и силиконовые соединения. При нанесении на обувь эти вещества формируют на её поверхности тонкий защитный слой, придающий материалу свойство несмачиваемости. Благодаря этому, влага не проникает внутрь структуры обуви, а собирается в капли и стекает с поверхности. Такая защита предотвращает:
   • Деградацию материала вследствие избыточного увлажнения;
   • Образование неэстетичных следов и разводов, вызванных водой и загрязнениями;
   • Возникновение и распространение микроорганизмов (плесени и грибка) в условиях повышенной влажности.

   Жировые отложения на металлической поверхности формируют гидрофобный барьер, который снижает способность краски к смачиванию. Неустранение жировых загрязнений приводит к неравномерному распределению и слабому сцеплению лакокрасочного покрытия с металлом. Процесс обезжиривания способствует оптимальному смачиванию, что повышает адгезию и обеспечивает долговечность финишного слоя.

   Благодаря маслу, волокна ткани становятся водоотталкивающими. Это значит, что вода не впитывается, а просто скатывается с поверхности, оставляя ткань сухой. Всё дело в том, что молекулы воды лучше держатся друг за друга, чем за масляный слой.

   Данное выражение иллюстрирует ситуацию, когда некое воздействие не вызывает никаких изменений или последствий для объекта или субъекта, подобно тому, как оно "соскальзывает", не оставляя следа. Физической основой этого явления служит принцип несмачиваемости. Перьевой покров гусей обладает гидрофобными свойствами благодаря наличию особой жировой смазки. Эта смазка препятствует смачиванию перьев водой, способствуя образованию капель, которые легко скатываются, предотвращая намокание птицы.

   Влажная почва характеризуется наличием воды, заполняющей межчастичные пространства. При механическом воздействии, таком как наступание, происходит уплотнение почвенных частиц, что приводит к сужению пор. Вследствие капиллярных сил, обусловленных поверхностным натяжением воды, жидкость перемещается в сузившихся порах (капиллярах) вверх. Это явление вызывает миграцию воды из нижележащих слоев к зоне уплотнения, делая образовавшийся след более влажным.

   Сухие пластины легко разъединяются благодаря отсутствию жидкости, которая могла бы усилить их сцепление. Однако, когда пластины влажные, их разъединение становится значительно сложнее. Причина кроется в смачивании стекла водой. Образующаяся тонкая водяная пленка между пластинами вызывает два эффекта: во-первых, поверхностное натяжение воды действует как клей, удерживая их вместе; во-вторых, вода заполняет мельчайшие неровности на поверхности, расширяя фактическую площадь соприкосновения и тем самым увеличивая силу сцепления.

   Масло относится к гидрофобным веществам и не взаимодействует с водой.
   При погружении бумаги с масляным рисунком в окрашенную воду жидкость (вместе с красителем) не проникает в участки, обработанные маслом.
   Таким образом, на бумаге образуется изображение — окрашенная вода впитывается исключительно в те зоны, которые не покрыты маслом.
   Этот эффект может быть использован для:
   • создания элементарных трафаретов и рисунков без применения специальных красок;
   • иллюстрации принципов смачивания и несмачивания в образовательных целях;
   • разработки водоотталкивающих покрытий и материалов.

   На несмазанной коже капля воды будет частично растекаться, потому что кожа смачивается водой. Форма капли будет более плоской.
   На смазанной поверхности капля воды соберётся в почти сферическую форму, потому что вазелин или крем создают гидрофобный слой, который не смачивается водой.

   Вывод:
   • несмазанная кожа смачивается водой (гидрофильная поверхность);
   • смазанная кожа не смачивается водой (гидрофобная поверхность);
   • форма капли зависит от степени смачивания: на гидрофильной поверхности капля растекается, на гидрофобной — собирается в шар.