Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

В теле жидкости, даже совсем рядом с ее поверхностью, данная часть жидкости связана силами сцепления с другими частями жидкости, которые окружают ее, одинаково во всех направлениях. В любом заданном направлении мы не можем обнаружить никакой суммарной неуравновешенной силы[40]. На поверхности же жидкости, однако, силы сцепления направлены только внутрь, в тело жидкости, и не направлены наружу, где никакой жидкости, чтобы вызвать к жизни силы сцепления, нет. (Наиболее часто с другой стороны поверхности жидкости находится только воздух, а силы притяжения между воздухом и жидкостью настолько малы, что их можно игнорировать.) Результирующая этой полусферы сил сцепления, построенной относительно частицы жидкости на поверхности, направлена внутрь жидкости и расположена перпендикулярно этой поверхности.

Чтобы дать возможность поверхности жидкости противостоять этой внутренней силе, требуется выполнить работу, поэтому поверхность представляет собой форму потенциальной энергии. Такая специфическая форма потенциальной энергии обычно называется «поверхностной энергией»[41].

Такая поверхностная энергия распределена по площади поверхности, таким образом, ее единицы измерения — работа на площади. В системе МКС это джоули на квадратный метр (Дж/м2), а в системе СГС это будут эрги на квадратный сантиметр (эрг/см2). В случае поверхностной энергии чаще используется система СГС, как более удобная. Один эрг равен 1 дин-см, или 1 г-см2/с2, так что 1 эрг/см2 равен 1 (г-см2/с2)см2. Если мы сократим на одну из единиц измерения (сантиметры), то получим 1 (г-см/с2)/см, или I дин/см; фактически наиболее часто пользуются последними из представленных единиц измерения поверхностной энергии — дин/см (дина на сантиметр).

Предоставленная самой себе поверхностная энергия приходит к минимуму способом, аналогичным тому, как гравитационная потенциальная энергия приходит к минимуму всякий раз, когда шар, находящийся высоко в воздухе, падает на землю или когда водяной столб снижается и растекается, если целостность сосуда с жидкостью нарушена. Небольшое количество жидкости, когда оно находится во взвешенном состоянии, в воздухе, приобретает форму сферы; поскольку сфера обладает для данного объема самой маленькой площадью поверхности, то поверхностная энергия тоже становится минимальной. Такая сфера из жидкости, однако, искажается в «неправильный» объект неуравновешенным нисходящим напряжением силы тяжести. Если она падает в воздухе, как это делает, например, дождевая капля, то ее основание будет сплющено благодаря восходящей силе сопротивления воздуха. Чем меньше капелька жидкости, тем в меньшей степени воздействуют на нее относительные эффекты силы тяжести и сопротивления воздуха, и она становится все более сферической. Мыльные пузыри — полые, жидкие структуры, которые являются настолько легкими для их объема (из-за находящегося в них воздуха), что силы тяжести (необычно низкая в этом случае) и сопротивления воздуха (необычно высокая в этом случае) компенсируют друг друга. Мыльные пузыри поэтому дрейфуют по воздуху относительно медленно и имеют практически точную сферическую форму.

Значительное количество жидкости склонно к равномерному сглаживанию. Потребность в уменьшении гравитационной потенциальной энергии стоит выше потребности в уменьшении поверхностной потенциальной энергии; поэтому поверхность стоящего в покое ведра воды (или водоема с водой) кажется нам плоскостью. Фактически же это — сегмент сферы, но большой сферы, такой, которая имеет радиус, равный радиусу Земли. Посмотрите, как расположен Тихий океан на глобусе Земли, и вы увидите, что его поверхность почти сформировала полусферу.

Если энергия в любой форме добавляется к жидкостям, то некоторые из них умеют хорошо увеличивать поверхностную энергию, расширяя площадь своей поверхности за пределы ее минимума. Таким образом, ветер заставляет поверхность океана или озера стать неровной и поэтому увеличиться в площади. Поверхность в стакане воды будет пениться, если стакан взболтать.

Поскольку поверхность жидкости «растягивается» в большую, когда осуществляется такой ввод энергии, и потому, что она отступает к минимуму, когда ввод энергии прекращается, можно провести безошибочную аналогию между поверхностью жидкости и упругой оболочкой под растяжением (например, очень тонкая пленка из натянутой резины). Поэтому о поверхностных эффектах часто говорят как об эффектах, скорее вызванных «поверхностным натяжением», чем поверхностной энергией.

Те же самые силы сцепления, которые действуют, удерживая отдельные части жидкости через поверхностное натяжение, также удерживают части жидкости в контакте с частями соседствующего твердого тела. В этом, последнем, случае, когда сила притяжения скорее существует между твердым телом и жидкостью (не так, как между частицами), чем между частями жидкости (подобно частицам), такое явление называется «адгезией» (название это также, подобно когезии, происходит от латинских слов, означающих «сцепляться»). Силы прилипания (адгезии) могут быть столь же большими, как силы сцепления (когезии), или даже большими. В частности, адгезия воды к чистому стеклу — больше, чем когезия воды к самой себе.

Это вызывает эффект формы поверхности жидкости (воды) в стеклянном сосуде. В тех местах, где вода соприкасается со стеклом, притяжение воды к стеклу — достаточно большое, чтобы преодолеть силы сцепления воды. В результате поверхность воды повышается, чтобы в максимально возможной степени увеличить контакт на границе вода — стекло (или так называемую поверхность раздела) за счет более слабых «межводных» сил сцепления. Если бы не имелось никаких противодействующих сил, то вода бы повысилась до края сосуда и далее. Однако ей противодействует сила тяжести. Таким образом, существует некоторая точка, где вес поднятой воды, добавленный к силам сцепления воды, уравнивает восходящее натяжение «липких» сил, и эта точка равновесия достигается вскоре после того, как уровень жидкости поднимется на очень небольшой градус.

Если сосуд достаточно широк, то этот изгиб поверхности вверх ограничен только окрестностями водно-стеклянного контакта. Водная же поверхность в середине остается плоской. Когда же сосуд относительно узкий, поверхность жидкости целиком находится в области водно-стеклянного контакта; в этом случае поверхность жидкости не имеет плоских участков, вместо этого она формирует полусферу, прогнутую в центре трубки к ее нижней части. При взгляде со стороны поверхность походит на полумесяц, и поэтому это явление называется «мениском» (meniscus — от греческого слова, означающего «маленькая луна»).