Опыты с поверхностным натяжением: бумажная рыбка
Paper Fish (Surface Tension Experiment)

"Бумажная рыбка" - простой эксперимент, который демонстрирует, что вода имеет поверхностное напряжение. Вырежьте из плотной бумаги "рыбку", "ракету" или нечто подобное. Главное, чтобы рыбка была обтекаемой формы, внутри была вырезана полость, соединенная с задней частью рыбки каналом. Например, в литературе предлагают использовать такой шаблон.

Я решил особо не заниматься "художествами" с ножницами и сделал более простую рыбку (см. фотографии): она имела одну большую внутреннюю полость. Бумажную рыбку помещаем на поверхность воды в кристаллизаторе, лотке или тарелке и капаем во внутреннюю полость рыбки раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ). Я использовал разбавленное водой жидкое моющее средство для посуды Gala. Рыбка быстро плывет вперед. Первая капля вызывает активное движение рыбки, но следующие капли почти не дают эффекта.

Вода, как и другие жидкости, имеет поверхностное натяжение. Молекулы воды, которые находятся в массе жидкости, равномерно притягиваются со всех сторон другими молекулами. Зато, если молекула находится на поверхности, на нее действуют силы притяжения со стороны "внутренних" молекул (которые находятся в глубине жидкости), но эти силы не скомпенсированы с другой стороны - поскольку за пределами жидкости расположены только немногочисленные молекулы пара и воздуха. В результате жидкая вода ведет себя так, словно она заключена в тонкую эластичную пленку, которая пытается сжаться, чтобы максимально уменьшить свою поверхность.

Поверхностно-активные вещества понижают поверхностное натяжение воды, поэтому после того, как мы капнули мыло внутрь рыбки, поверхностное натяжение внутри рыбки уменьшается. Зато снаружи некоторое время вода еще не содержит мыла - ее поверхностное натяжение прежнее.

В результате поверхностная "пленка" снаружи рыбки (вода без мыла) перетягивает "пленку" внутри рыбки (вода с мылом). Рыбка плывет вперед. Молекулы мыла быстро распространяются по поверхности воды (в результате поверхностное напряжение уменьшается не только внутри, но и снаружи рыбки), поэтому вторая и последующие капли мыла почти не дают эффекта.

Watch the video / Смотреть Видео (5 Мб, .avi ) Watch the video 2 / Смотреть Видео 2 (8 Мб, .avi )

Эксперименты с поверхностным натяжением: вращающаяся спираль
Surface Tension Experiments. Rotating Spiral

Опыт "Вращающаяся спираль" аналогичен по своей сути эксперименту "Бумажная рыбка" [ссылка], хотя и выглядит несколько по-другому, пожалуй - более красиво. В литературе приводят примерно такое описание эксперимента (передаю своими словами то, что прочел в нескольких книгах).

Возьмите спираль, сделанную из очень тонкой проволоки, смажьте ее жиром, поместите на поверхность воды - так, чтобы она плавала (это можно сделать с помощью вилки). В центр спирали капните раствор мыла - спираль начнет вращаться. Когда спираль остановится, снова капните в ее центр мыла - снова начнется вращение.

Тонкой проволоки не было, поэтому я вырезал спираль из тонкой алюминиевой фольги (в такую фольгу заворачивают шоколад), смазывать маслом или парафином не стал - спираль из фольги и так хорошо держалась на поверхности воды. В центр спирали, которая плавала на воде, капнул раствор жидкого моющего средства для посуды Gala. Спираль начала вращаться и плавать по поверхности воды (поступательная составляющая движения появилась из-за того, что форма спирали была далеко не идеальной в смысле симметрии). Когда спираль остановилась, снова капнул мыльный раствор в центр, - вращение повторилось. От третьей капли спираль снова стала вращаться, но вторая и особенно - третья капля вызвали более слабое вращение, чем первая капля мыла.

При добавлении мыла в центр спирали поверхностное натяжение воды внутри спирали уменьшается, а поверхностное натяжение воды снаружи спирали остается неизменным (туда еще не попали молекулы мыла). В результате внешняя вода перетягивает "поверхностную пленку" на себя. В этом и состоит аналогия с опытом "Бумажная рыбка", только в данном случае мы наблюдаем не поступательное движение "рыбки", а вращательное движение спирали.

Watch the video / Смотреть Видео (21 Мб, .avi )

Эксперименты с поверхностным натяжением: красители, молоко и жидкое мыло
Surface Tension Experiments: Dyes, Milk and Liquid Soap

Налейте в мелкую тарелку молока - так, чтобы оно покрыло дно. На поверхность молока нанесите несколько капель раствора яркого красителя. Образуется компактное яркое пятно. Я использовал метиленовый синий и эозин (только потому, что они оказались под рукой).

Можно нанести на поверхность молока несколько маленьких пятен (по 2-3 капли красителя в каждом), можно - одно большое (5-10 капель). Пятна могут быть одного цвета, а при желании на поверхность молока можно нанести пятна сразу нескольких красителей (в разных местах).

Теперь в центр одного из пятен капните раствор жидкого мыла (я использовал раствор жидкого моющего средства для посуды Gala).

В центре цветного пятна образуется белая зона, а "окрашенное кольцо", которое ее окружает, расширится, пока не достигнет стенок тарелки. Следующие капли красителя будут давать эффект, но уже значительно меньший.

Если на тарелке были пятна разных цветов, то, добавляя жидкое мыло в разные места, можно достичь расширения тех или иных окрашенных зон.

При добавлении водного раствора красителя на поверхность молока краситель образует компактное окрашенное пятно благодаря тому, что молоко содержит жир, который мешает быстрому смешиванию молока и окрашенного раствора. При добавлении мыла (ПАВ) поверхностное натяжение в этом месте уменьшается, а за пределами зоны, куда попало ПАВ, остается прежним. В результате притяжение со стороны молекул воды за пределами пятна оказывается сильнее, чем притяжение молекул воды в пределах пятна и первые перетягивают краситель к себе (т.е. наружу пятна).

Образно говоря, благодаря поверхностному натяжению, на поверхности воды как бы существует "тонкая и эластичная пленка", которая стремиться максимально сжаться (сократить поверхность). Причем "пленка" на поверхности чистой воды "более сильная" и перетягивает "более слабую пленку" на поверхности раствора мыла. А поскольку раствор мыла мы нанесли в центр окрашенного пятна, последнее расширяется.

Не трудно видеть аналогию с опытом Бумажная рыбка / Paper Fish, который описан в третьей части статьи [ссылка].

Watch the video / Смотреть Видео (16 Мб, .avi ) Watch the video / Смотреть Видео (28 Мб, .avi ) Watch the video / Смотреть Видео (21 Мб, .avi )

<Давление, Поверхностное натяжение (эксперименты)>

<Химические вулканы и Фараоновы змеи ч.2> <Химические вулканы ч.1> < Опыты со щелочными металлами > < Опыты со щелочными металлами 1 > [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном] <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 1> <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 2> <Эксперименты с фосфором ч.1> <Эксперименты с фосфором ч.2> <Эксперименты с водородом 1> <Эксперименты с водородом 2> <Эксперименты с водородом 3> <Хлористый азот (трихлорид азота). Иодистый азот (нитрид иода)> <Перекись ацетона, ГМТД, органические перекиси> <Черный порох> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин, Этиленгликольдинитрат, Нитроэфиры, Нитропроизводные> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (Холодный огонь)> <Ртуть, Амальгамы, Соединения Ртути>
<Опыты с поверхностным натяжением. Surface Tension Experiment (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]