МЕТОД ОТРЫВА КОЛЬЦА

С явлением поверхностного натяжения связаны также явления смачивания и несмачивания. В отличие от молекул газов, молекулы твердых тел также могут испытывать притяжение со стороны молекул жидкостей. В жизни мы можем неоднократно наблюдать поведение капель разных жидкостей при попадании их на поверхность твердого тела. Одни из них растекаются по поверхности, другие, напротив, собираются в шарики (рис. 3). Из механических соображений ясно, что, чем больше сила поверхностного натяжения по сравнению с силами притяжения молекул жидкости и твердого тела, тем более сферической будет форма капли – ведь ее поверхность тогда станет наименьшей. Это явление называется несмачиванием. В таком случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность. Если же силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами жидкости, наблюдается явление смачивания – жидкость смачивает поверхность.

Метод измерения коэффициента поверхностного натяжения с помощью отрыва кольца основан на совершении работы против сил поверхностного натяжения. Если кольцо, смачиваемое исследуемой жидкостью, погрузить в нее, а затем вытаскивать, силы поверхностного натяжения будут увлекать жидкость вслед за кольцом, не позволяя кольцу оторваться от жидкости. Измерив эти силы при помощи пружинных весов, можно определить коэффициент поверхностного натяжения.

Пружинные весы, используемые в данной работе, представляют собой пружину, к одному концу которой, снабженному указателем, прикладывается измеряемая сила. Другой конец пружины закреплен.

К свободному концу пружины подвешивается кольцо, смачиваемое исследуемой жидкостью. В положении равновесия указатель показывает некоторое значение h₀. Кольцо приводится в соприкосновение с жидкостью.

Затем любым образом начинают уменьшать уровень жидкости. Из-за сил поверхностного натяжения кольцо не отрывается от поверхности жидкости; пружина растягивается, и сила упругости увеличивается. Очевидно, что в каждом положении сила упругости, действующая со стороны пружины, уравновешивается силой тяжести и силой поверхностного натяжения. Когда сила упругости становится больше, кольцо отрывается. В момент отрыва кольца указатель показывает значение h₂. При этом выполняется условие

, (4)

где m – масса кольца, F_упр – сила упругости, а F_н – сила поверхностного натяжения, равная, согласно (3) F_н=αl. Контур, охватываемый жидкостью в момент отрыва кольца, представляет собой две концентрические окружности – внешнюю и внутреннюю стороны кольца (рис. 4). Длина этого контура

где D – внешний, а d – внутренний диаметр кольца.

Сила же упругости, как известно из закона Гука, пропорциональна растяжению:

F­_упр=k|h₂–h₁|, (6)

где k – жесткость пружины, подлежащая определению.

Для определения k проводится следующий эксперимент. С пружины снимают кольцо и замечают положение указателя h₀. Ясно, что

k|h₁-h₀|=mg, (7)

Отсюда

(8)

Определим теперь α. Из (3), учитывая (4), (5), (6) и (8), получим

(9)

Это окончательная формула для отыскания коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца.