Без этой силы не получится покрасить автомобильный кузов, насекомое водомерка не сможет бегать по воде, а мытьё жирной посуды станет непосильной задачей. Сила поверхностного натяжения отвечает за многие удивительные явления в природе.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №11(27). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Для начала разберёмся, чем отличается поведение молекул в твёрдых телах, газах и жидкостях. У твёрдых тел молекулы скреплены с соседними молекулами и их движение ограничено. Поэтому твёрдые тела сохраняют свою форму, для того, чтобы их разрушить — нужно приложить усилия, иногда очень большие.

У газов молекулы — полные индивидуалисты, с соседними молекулами они практически не связаны. Поэтому газ всегда занимает весь доступный объём, от того понятие поверхности у газов отсутствует.

а) Твёрдые тела сохраняют форму

б) Жидкости принимают форму сосуда

в) Газ занимает весь доступный объём

В жидкостях же молекулы с соседями связаны, но слабо. Поэтому жидкость принимает форму сосуда, в который она налита, но не занимает весь доступный объём. К примеру, если налить 1 литр воды в трёхлитровую банку, то вода не займёт все 3 литра, но примет форму банки.

А что происходит на поверхности? Молекулы на поверхности притянуты молекулами-соседями внутри жидкости, но не притянуты молекулами газа (например, воздуха), что находятся выше поверхности. И получается, что поверхность жидкости натянута молекулами как тонкая резиновая плёнка: каждую молекулу на поверхности тянут соседки снизу и сбоку. Поэтому они стараются как можно быстрее сократить свободную поверхность жидкости. Это свойство жидкостей называется поверхностным натяжением.

Благодаря именно этому свойству, вода в невесомости не вытекает струёй, а превращается в шарики — это минимально возможная площадь поверхности жидкости в данной ситуации. Сферическую форму воде придаёт поверхностное натяжение — одинаковое по всей поверхности. Ведь в невесомости сила тяжести отсутствует, поэтому сила поверхностного натяжения стягивает воду в шар.

Физики дали явлению поверхностного натяжения собственную букву σ (сигма) и принялись досконально изучать. Оказалось, что в природе много явлений, связанных с силами поверхностного натяжения. Насекомое водомерка успешно пользуется этим, скользя по водной поверхности. Плотность тела насекомого больше плотности воды. Если бы не силы-σ, то скольжение водомерки по воде было бы невозможно. Объяснение простое — сила гравитации, действующая на водомерку, меньше силы поверхностного натяжения. Кроме того, водомерка может похвастаться несмачивающимися волосками на ножках и туловище.

Подобный фокус можете провернуть и вы, если очень аккуратно положите на спокойную водную поверхность швейную иголку. Некоторое время она не будет тонуть, а если смазать иголку маслом, то очень долго. Величина поверхностного натяжения воды относится к разряду рекордных, уступая в этом лишь ртути.

Растение лотос имеет очень гидрофобную поверхность. Его лист покрыт миллионами микроскопических иголочек, не дающими воде прикоснуться к основной поверхности растения. Окружённая газом вода принимает форму капли и не смачивает листья. Она просто стекает, унося нежелательную пыль. «Эффект ­лотоса» заинтересовал учёных — ведь это замечательный пример высокой не­смачиваемости поверхности. Инженеры создали одеж­ду, которая не промокает под сильным ливнем и практически не требует стирки. Разрабатываются краски для автомобилей нового поколения, после внедрения которой уйдут в прошлое автомойки, ведь достаточно будет всего лишь окатить кузов струёй из шланга. Подобные технологии относятся к категории «нано» и в будущем совершат революцию в материаловедении.

Как и любую силу, поверхностное натяжение можно измерить, и учёные придумали множество способов это сделать. Самый простой из них — измерение высоты подъёма смачивающих жидкостей в капиллярах: чем выше поднялся столбик, тем больше сила натяжения. Метод достаточно точен и теоретически выверен, но не является единственным.

Для следующего способа измерения понадобится сталагмометр — стеклянный пузырёк известного объёма, имеющий точно калиброванный капилляр для истечения жидкости. Число вытекающих капель и значение плотности жидкости позволяют при помощи специальной формулы определить поверхностное натяжение с погрешностью всего в 1%. Полное научное название этого способа — сталагмометрический метод или метод счёта капель.

Классикой стали два необычных способа расчёта силы σ, названные в честь своих изобретателей — Дю Нуи, Падди и Вильгельми. Суть метода Дю Нуи — в измерении усилия, необходимого для отрыва кольца от поверхности жидкости. При подъёме кольца жидкость стремится стечь с него, что приводит к постепенному утончению плёнки и отрыву измерительного приспособления. Созданы даже специальные приборы для подобных измерений — тензиометры, максимально упростившие исследовательские ­процедуры.

Если вместо кольца в тензиометре взять пластину, то получится уже новый метод Вильгельми, отличающийся меньшей точностью, но не требующий знания плотности жидкости.

Очередной вариацией тензиометрических способов выступает метод ­Падди — в нём нет ни кольца, ни пластины, а есть цилиндр, отрывая который от поверхности жидкости, определяется величина «сигма».

Но некоторые жидкости имеют столь малое поверхностное натяжение, что вышеописанные методы им не подходят. И тогда на помощь придёт метод вращающейся капли. Для этого капля исследуемой жидкости помещается в стеклянную трубку с другой, более тяжёлой жидкой субстанцией. Далее трубку начинают вращать вдоль своей продольной оси, капля лёгкой жидкости вытягивается вдоль оси, принимая форму цилиндра. Измерив радиус этого своеобразного вращающегося цилиндра, можно узнать даже самые минимальные значения поверхностного натяжения жидкости.