Fizyka LO Turek
Start
Nauczyciele
Nauczanie
Konkursy
Ciekawostki
Aktualności
Astronomia
Struktura materii
Doświadczenia domowe
Testy z fizyki
Spis treści i wyszukiwarka
Hosted by:
W kręgu fizyki LO Turek
« Poprzednia  Następna »
Wokół nas 
Napięcie powierzchniowe i włoskowatość
siły spójności
Siły spójności

Cząsteczki cieczy przyciągają się wzajemnie. Jest to przejaw oddziaływania elektromagnetycznego. Siły te nazywamy siłami spójności. Siły działające na cząsteczki wewnątrz cieczy się równoważą, natomiast na cząsteczki leżące na powierzchni działa siła wypadkowa do środka cieczy (cząsteczki są wciągane do wnętrza cieczy). Siłę tą nazywamy siłą napięcia powierzchniowego.
Aby wydobyć cząsteczkę z głębi cieczy na jej powierzchnię, należy działać na nią siłą przeciwną do siły wypadkowej, więc należy przy tym wykonać pracę. Wykonana praca jest równa zmianie energii potencjalnej cząsteczki. Oznacza to, że cząsteczki przy powierzchni cieczy mają większą energię niż cząsteczki znajdujące się w głębi cieczy. Zgodnie z ogólnym prawem przyrody każdy układ
kuleczki rtęci
Kuleczki rtęci na szybie
cząsteczek dąży do znalezienia się w stanie o minimalnej energii. Skoro energia cząsteczek przy powierzchni jest duża to w nieobecności sił zewnętrznych ciecz dąży do przybrania takiego kształtu, dla którego przy określonej objętości powierzchnia jest jak najmniejsza. Z geometrii wiadomo, że taki kształt ma kula. Dlatego krople deszczu mają kształt kulisty i w stanie nieważkości każda ciecz przyjmuje kształt kuli. Obok znajduje się zdjęcie kuleczek rtęci znajdujących się płytce szklanej. Dążenie cieczy do zmniejszenia swojej powierzchni prowadzi do tego, że na granicy pomiędzy warstwą powierzchniową i ciałem stałym powstają siły napięcia powierzchniowego. Można się o tym przekonać kładąc płasko żyletkę na powierzchni wody (wtedy pływa ona na
bańki mydlane
Bańki mydlane
powierzchni). Napięcie powierzchniowe odpowiedzialne jest również za tworzenie się baniek mydlanych.
W dziale "Doświadczenia domowe" opisano i przedstawiono na filmie doświadczenie: Błona powierzchniowa.
Napięcie powierzchniowe wody można zmienić, zmieniając temperaturę wody lub dodając do wody różne związki chemiczne zwane detergentami. Ma to znaczenie podczas prania brudnych ubrań. Pranie polega na zanurzeniu ubrania w wodzie i doprowadzeniu do rozpuszczenia się w niej brudów z tkaniny. Aby jednak woda mogła wypłukać brud z tkaniny, musi tę tkaninę zwilżyć. To oznacza, że siły przylegania między cząsteczkami wody powinny być mniejsze niż siły przylegania między cząsteczkami tkaniny a cząsteczkami wody. Podwyższenie temperatury wody i dodanie detergentów zwiększa zwilżanie i skuteczność prania.
Możliwość mieszania różnych cieczy zależy od tego, czy siły oddziaływania między cząsteczkami różnych cieczy są mniejsze, czy też większe od sił spójności. Przykładowo olej i benzyna nie miesza się z wodą, ale olej miesza się z benzyną.
menisk wypukły
Menisk wypukły
W polu grawitacyjnym Ziemi kształt powierzchni cieczy jest zawsze taki, by suma energii potencjalnych związanych z oddziaływaniem grawitacyjnym oraz siłami międzycząsteczkowymi była najmniejsza. Daleko od ścianek naczynia powierzchnia jest płaska, ponieważ tam dużą rolę odgrywają siły grawitacji, a wypadkowa sił międzycząsteczkowych działających na każdą cząsteczkę jest zwrócona w dół. Powierzchnia cieczy jest zawsze prostopadła do siły wypadkowej.
W pobliżu ścianek oprócz sił spójności działają siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i cząsteczkami ciała stałego nazwane siłami przylegania.
pióra kaczek Jeśli siły spójności są większe od sił przylegania to mówimy, że ciecz nie zwilża ścianek naczynia i tworzy się wtedy menisk wypukły. Tak zachowuje się rtęć w szklanych naczyniach. Można to również zaobserwować jeśli naczynie szklane natłuścimy i wlejemy wodę, bowiem siły przylegania między cząsteczkami wody i tłuszczu są znacznie mniejsze od sił spójności między cząsteczkami wody. Własność tą wykorzystują kaczki i inne ptaki wodne. Pióra są nasiąknięte tłuszczem i woda nie dostaje się pomiędzy pióra. Podobnie woda nie może zwilżać owadów wodnych ślizgających się po powierzchni stawów, więc pokryte są substancją której siły przylegania z wodą są małe. Parasole i ubrania przeciwdeszczowe wykonujemy z takich materiałów aby woda spływała. Z tego powodu pastujemy buty.
menisk wklęsły
Menisk wklęsły
Jeśli siły przylegania są większe od sił spójności to mówimy, że ciecz zwilża ścianki naczynia i tworzy się wtedy menisk wklęsły. Tak zachowuje się woda w szklanej rurce.
menisk wypukły Bardzo wąskie rurki, których średnica jest rzędu jednego milimetra lub mniejsza, nazywamy włoskowatymi lub kapilarnymi (od łacińskiego słowa capillus - włos). Jeśli taką rurkę zanurzymy w cieczy, która ją zwilża (na przykład rurkę szklaną w wodzie), to tworzy się menisk wklęsły. Powstaje wtedy ciśnienie powierzchniowe, które powoduje podnoszenie się cieczy powyżej powierzchni swobodnej cieczy w danym naczyniu (rysunek z lewej). Im mniejsza jest średnica naczynia tym wysokość na jaką podnosi się woda jest większa.
Ciecz niezwilżająca rurki włoskowatej opuszcza się poniżej powierzchni cieczy w naczyniu. Tak zachowuje się rurka szklana, posmarowana tłuszczem, zanurzona w wodzie (pokazuje to rysunek z prawej strony).
Zjawiska włoskowate często spotykamy w przyrodzie. Występowanie ich tłumaczy higroskopijność szeregu ciał, tzn. ich zdolność do pochłaniania wilgoci. Substancją higroskopijna jest wata, tkaniny, gleba, beton. Widocznie te substancje składają się z mikroskopijnych naczyń i są one zwilżane przez wodę, czyli siły przylegania są większe niż spójności.
Higroskopijność betonu musi być uwzględniona w praktyce budowlanej. Pomiędzy fundament budynku i ściany wkłada się warstwę papy, smoły czy też jakiejkolwiek innej substancji, która zapobiega przenikaniu wilgoci poprzez ściany do mieszkań.
menisk wklęsły Woda znajdująca się pod ziemią dzięki włoskowatości gleby podnosi się aż do jej powierzchni i paruje. Chcąc zachować wilgoć w glebie, należy zniszczyć rurki włoskowate. osiąga się to dzięki orce i bronowaniu. Znana jest zasada działkowiczów: lepiej jest raz na dwa tygodnie wzruszyć ziemię niż codziennie ją podlewać.
Rośliny składają się z wielu długich i bardzo cienkich cząsteczek celulozowych. Woda zwilża ścianki cząsteczek celulozowych. Są to więc naczynia włoskowate, a woda podnosi się do góry. Dzięki temu rośliny mogą pobierać wodę poprzez korzenie i z gleby).
drzewo W dziale "Doświadczenia domowe" opisano i przedstawiono na trzech filmach doświadczenia: Naczynia włoskowate w papierowej rolce, Woda między szybami i Przelewanie wody za pomocą knota.
Okazało się, że małe owady potrafią "chodzić" po powierzchni wody wykorzystując siły napięcia powierzchniowego wody i nie muszą nawet poruszać własnymi odnóżami. Chociaż powierzchnia wody wydaje się dla ludzkiego oka zupełnie płaska, to małe stworzonka, takie jak kilkumilimetrowe owady, postrzegają ją zupełnie inaczej. Powierzchnia wody dla nich jest urozmaicona i pofałdowana. Przyjmują one specjalną pozycję, dzięki której tworzą siły "wciągające" je na wypukłość (podobnie jak w rurkach włoskowatych) w tempie około 30 długości ciała na sekundę. W tym czasie na wodzie powstają charakterystyczne kółka, robione przez środkowe odnóża. Sprawdzili to naukowcy z MIT (Massachusetts Institute of Technology) przy użyciu specjalnej kamery.
Literatura:
B. M. Jaworski, A. A. Piński, Elementy fizyki, tom 1,
M. Fijałkowska, K. Fijałkowski, B. Sagnowska, Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych, wyd. ZamKor.
chlorofil
Widmo absorpcyjne (czyli wykres długości fal, które są pochłaniane) dwóch typów chlorofilu (chlorofil typu a i b) oraz karotenoidów. Chlorofil nie pochłania koloru zielonego.

Barwa liści i zwierząt

Światło słoneczne jest światłem białym ponieważ składa się ze wszystkich kolorów czyli wszystkich długości fali. Jeśli takie światło pada na substancję pochłaniającą (absorbującą) część długości fali, to pozostałe długości fali są odbijane i tworzą mieszaninę fal elektromagnetycznych, które oko człowieka lub zwierząt widzi jako określony kolor.
W okresie wegetacji liście roślin zawierają barwnik zwany chlorofilem, który pochłania padające światło za wyjątkiem koloru zielonego. Światło to zostaje odbijane od liści i stąd zielony kolor liści. Pochłaniana energia potrzebna jest to procesu fotosyntezy do produkcji węglowodanów. Chlorofil jednak zużywa się pod wpływem światła i musi być stale wymieniany, a to wymaga dostarczenia potrzebnych składników i energii. Dlatego roślina produkuje ten barwnik tylko wtedy, gdy jest on potrzebny czyli gdy jest odpowiednia ilość światła i wody, a proces fotosyntezy może przebiegać bez zakłóceń. Takie warunki u nas panują od końca kwietnia do początku października. Najlepszym wyjściem dla roślin jest więc coroczne zrzucanie liści jesienią i ponowne ich odtwarzanie z nastaniem nowego okresu wegetacji.
złota jesień Chlorofil nie jest jedynym barwnikiem obecnym w liściach, ale tylko on bierze udział w procesie fotosyntezy. Pozostałe składniki to karetonoidy, do których należą żółte ksantofile i pomarańczowe beta-karoteny. Barwniki te najprawdopodobniej współdziałają z chlorofilem i pochłaniając niebieskie oraz fioletowe promieniowanie. Ma ono najkrótszą długość fali spośród światła widzialnego, a więc fotony tego światła posiadają największą energię, są więc niebezpieczne dla chloroplastów. W procesie fotosyntezy uczestniczą tyko mniej energetyczne fotony o większej długości fali. Gdy chlorofil przestaje być potrzebny, jak w liściach szykujących się do zimy lub w dojrzałych owocach, rozpoczyna się ich rozkład. Wtedy ujawniają się na krótko kolory karotenoidów i stąd żółte pomarańczowe lub brązowe barwy liści lub owoców.
Podczas degradacji chlorofilu w liściach niekiedy powstają dodatkowo antocyjany. Powodują one, że odbijane są fale dłuższe i liście przyjmują jaskrawe barwy, stąd czerwony i purpurowy kolor. Rośliny je produkują najprawdopodobniej aby odstraszać owady szukające schronienia dla siebie lub swoich jaj. Obserwuje się, że te drzewa, które jesienią prezentowały najbardziej jaskrawe barwy, wiosną okazywały się najzdrowsze.
Drugim powodem produkcji karotenoidów i antocyjanów jest konieczność wycofania przed zimą do łodygi i korzeni wszystkich związków potrzebnych do tworzenia chlorofilu. Podczas tego procesu antocyjany i karotenoidy pełnią funkcję ochronną. Zmniejszają one ilość światła docierającego do tkanek rośliny, przez co tworzy się mniej wolnych rodników, które mogłyby uszkadzać komórki podczas wycofywania cennych materiałów.
motyl
Zwierzęta również dostosowują swoje ubarwienie oraz często je zmieniają. Może być wiele powodów takiego postępowania. Dzięki zmianie koloru swojego ciała maskują się i upodabniają do otocznia (kamuflaż), chronią się przed promieniowaniem ultrafioletowym, często wabią samicę (samca), odstraszają przeciwników (im większe ubarwienie tym silniejszy osobnik), wysyłają sygnały ostrzegawcze, wyrażaj uczucia, na przykład strach, złość lub zmieniają kolory w okresie godowym.
Zwierzęta robią to na kilka sposobów. Na przykład poprzez obecność barwnych związków chemicznych (organicznych lub nieorganicznych) wchodzących w skład struktur organizmu zwierzęcego (np. związków żelaza, manganu, miedzi). Podobnie jak u roślin popularne jest stosowanie specjalnych związków chemicznych czyli barwników (pigmentów, takich jak lipochromy, melanina) wytwarzanych lub gromadzonych głównie w komórkach powierzchniowych części ciała lub ich wytworach natomiast rzadziej w komórkach wewnętrznych. Barwniki powodują odbicie określonych długości fal co nadaje barwę zwierząt. Ciekawym sposobem jest barwa zapożyczona, spowodowana obecnością w obrębie ciała zwierząt innych zabarwionych organizmów lub substancji, na przykład obecność zielonych glonów na powierzchni bezkręgowców lub w sierści ssaków.
paw Najbardziej wyrafinowanym sposobem jest stosowanie u niektórych ptaków, motyli, ryb i innych stworzeń, zorganizowanych nanostruktur czyli uporządkowanych warstw lub pręcików na powierzchni ciała, które wybiórczo odbijają światło z niektórych zakresów widma światła słonecznego przez co widoczne są różne kolory. Często towarzyszy temu efekt zmiany koloru od niebieskiego do zielonego lub od pomarańczowego do żółtego z zależności od kąta widzenia. Takie zjawisko magicznej tęczy nazywa się iryzacją. Ponieważ w tym przypadku barwy są wynikiem selektywnego czyli wybiórczego odbicia światła, a nie pochłaniania (absorpcji) części pasma przez pigmenty to barwy sprawiają wrażenie bardziej intensywnych. Zdarza się, że struktury odpowiedzialne za ubarwienie są gąbczaste i nieregularne. Tak jest w przypadku wspaniałego niebieskiego i zielonego upierzenia wielu ptaków (na przykład kolibrów lub pawi) oraz u niektórych chrząszczy. Ponieważ zbudowane z keratyny gąbczaste nanostruktury nie są uporządkowane to kolor nie zależy od kąta obserwacji.
Opracowano na podstawie artykułów: "Kolorowy zawrót głowy" (dotyczy zmiany kolorów liści u roślin), zamieszczonego w numerze 11/1012 czasopisma "Wiedza i Życie" oraz "Kolorowy zawrót głowy" (omawia zmianę ubarwienia zwierząt), zamieszczonego w numerze 7/2012 czasopisma "Świat Nauki".

« Poprzednia  Następna »
Wokół nas