Почему два стекла прилипают друг к другу
Задача по физике — 11446
2019-11-17
Известно, что мокрые стекла «слипаются» друг с другом: разделить их, да и то с трудом, можно только сдвигая стекла друг относительно друга.
Капля воды с массой $m = 0,1 г$ введена между стеклами, находящимися на расстоянии $d = 10^ см$ друг от друга. Мокрое пятно имеет круглую форму. Вода полностью смачивает стекла.
Какую силу $F$ нужно приложить к стеклам перпендикулярно к их плоскости, чтобы оторвать их друг от друга?
Форма капли, находящейся между стеклами, изображена на рисунке. Нетрудно убедиться в том, что радиус $R$ круглого пятна значительно превышает толщину $d$ капли. Действительно, будем считать в первом приближении, что капля имеет цилиндрическую форму, т. е. $V = \pi R^d$, где $V$ — объем капли. С другой стороны, если $\rho$ — плотность воды, то объем можно найти из соотношения $V = \frac< \rho>$. Следовательно, $R = \sqrt< \frac< \rho \pi d>> = 17,8 см$, т. е. $R \geq d$.
Так как стекло полностью смачивается водой, то поверхность капли в сечении, перпендикулярном стеклам, является вогнутой с радиусом кривизны $R_ = d/2$. Радиус кривизны поверхности капли $R_$ в сечении, параллельном стеклам, близок к величине $R$. Следовательно, в выражении $\Delta p = \sigma \left ( \frac
Таким образом, давление внутри капли меньше, чем давление снаружи. Для того чтобы оторвать стекла друг от друга, нужно действовать на каждое из них силой, большей, чем сила избыточного давления наружного воздуха, т. е.
для $\sigma = 76 \cdot 10^ Н/м$.
Почему вещи прилипают друг к другу?
Маленький смешной магнитик прилипает к вашему холодильнику под действием невидимой силы – магнитного поля, которое скрепляет металлы. Там и в помине нет никакого клея. То же относится к любому виду прилипания, независимо от того, есть там клей или нет. Если предметы приклеиваются друг к другу, между ними действуют силы, их соединяющие. Если предметы не склеиваются или скользят друг по другу, те же силы присутствуют, но слишком незначительны, чтобы связать вещи друг с другом.
Допустим, вы хотите поклеить в своем доме очень красивые, но довольно тяжелые обои. А они не прилипают к стене и, скручиваясь, падают вниз. Что происходит? Незамысловатая схватка между силой земного тяготения (которая тянет обои вниз и отрывает от стены) и клеем (который и создает силу, удерживающую их на стене). Звучит просто, но, по сути, мы имеем дело с тремя разными силами, которые удерживают обои на стене. Клей должен лечь ровным слоем на бумагу и удерживаться на ней. Открытой стороной он должен присоединиться к стене. Кроме того – что не так заметно невооруженному глазу, – молекулы клея должны соединиться сами с собой. Когда обои отлипают от стены, вы видите на них остатки клея. Дело в том, что клей пристает к обоям и стене, но не склеивается сам. Другой пример подобного явления – когда вы делаете себе бутерброд с джемом, а потом разрываете кусочек хлеба надвое. При этом клей – джем – падает первым, потому что он не может сам с собой склеиться с такой силой, с которой он держится на хлебе.
Молекулярное сцепление и молекулярное притяжение
Если мы посмотрим на ситуацию более внимательно, то увидим, что вместо трех сил прилипания на самом деле действуют только две: вещи либо слипаются между собой, либо прилипают к другим вещам. Мы называем эти виды сил силами сцепления или силами притяжения. Мы называем клеи «адгезивами» (от англ. adhesive – притягивающие другие тела). Но на самом деле каждый хороший клей должен быть и хорошим «когезивом» (от англ. cohesive – сцепляющий), то есть крепко сцеплять молекулы самого клея друг с другом. Точнее клеи можно назвать «адгезивно-когезивными адгезивами», чтобы подчеркнуть тройственность их эффекта.
Вода – один из замечательных и лучше всего знакомых нам примеров работы сил сцепления и притяжения. В ней работают серьезные силы сцепления, поэтому она так легко собирается в массы. Дождь падает в виде капель, потому что молекулы воды крепко сцепляются между собой. Возникает вопрос: почему же тогда дождь не собирается в единую гигантскую каплю? Ответ в том, что большие капли неустойчивы. Столкновения между ними и трение о воздух при падении разделяют их на маленькие капли, поэтому обычно они не превышают в диаметре 5 мм[65]. Вообще вода по своим свойствам скорее когезивная (сцепляющая), чем адгезивная (притягивающая). Именно поэтому вы можете видеть каплю воды у себя на ладони или на листе пальмы. В дождливый день, когда дождь стучит в окно, можно заметить, как капли стекают по внешней поверхности стекла ручейками с определенными руслами. Дело в том, что молекулы воды сцепляются между собой. Каждая новая капля стремится соединиться со своими предшественницами, а не пробивать себе отдельное русло. Молекулы воды так хорошо сцепляются друг с другом и так плохо с другими веществами, что дома мы вынуждены применять специальные химические вещества, которые помогают наносить ее на поверхности ровным слоем или увлажнять вещи целиком. Мы вернемся к этому в главе 17, когда будем изучать, почему вода так хорошо очищает вещи от грязи.
Так что приклеивание – все же явление скорее из области сил притяжения. На них и сосредоточимся. Мы можем разделить приклеивание на три разных вида. Это постоянное склеивание (его обеспечивают различные клеи), временное приклеивание (когда мы идем по полу или муха ползет по стене) и полное отсутствие склеивания (когда бритва с гелем скользит по вашему подбородку или вы скользите по снегу либо льду). Кажется, силы абсолютно разные, но они основаны на очень схожих близкодействующих силах, которые возникают между двумя близко расположенными поверхностями.
Вопрос про прилипание мокрых тел
Я знаю, что такое смачивание/несмачивание. (в одном примере взаимодействие молекул жидкости с какими-то другими молекулами, например, твёрдого тела больше, чем взаимодействие молекул жидкости друг с другом, а в другом примере — ровно наоборот)
Я также знаю, что такое поверхностное натяжение, почему мыльный пузырь круглый, знаю, что на поверхности воды молекулы воды другими молекулами не уравновешены и т. д, и т. д.
Но я не могу понять, почему:
1) Мокрый песок и мокрые волосы прилипают друг к другу (я читал Ландсберга, но я никак не могу найти связь между поверхностным натяжением и причиной прилипания, я просто его не понимаю, понял всё про форму воды в космосе, форму мыльного пузыря, а про песок и волосы — нет)
2) Два мокрых прямоугольника из стекла прилипают друг к другу (ведь это НЕ смачивание, так как тут у нас не вода+стекло, а стекло+вода+стекло+вода, фиг разберёшься)
Лучший ответ
так состыкуй поверхностное натяжение со смачиванием.
Kenan MammadovПрофи (988) 8 лет назад
Ну, допустим, песок мокреет — смачивание, а почему тогда мокрый песок прилипает к другому мокрому песку?
Sergey V. Voronin Искусственный Интеллект (262912) потому что при смачивании отдельная капля остаётся каплей, к которой с одной стороны прилипла одна песчинка. Потом с другой стороны — другая песчинка. И т. д.
§ 16. Взаимодействие частиц вещества
Почему многие твердые тела обладают большой прочностью? На стальном тросе толщиной всего 25 мм можно поднять тепловоз. Трудно разделить на куски камень. Объяснить это можно притяжением частиц, из которых состоят твердые тела. Молекулы (атомы) в твердых веществах притягиваются друг к другу. Но почему тогда куски разбитого стеклянного стакана нельзя без клея соединить друг с другом в одно целое? В то же время куски пластилина легко можно соединить в один кусок. Проделайте этот опыт сами.
Объяснить эти факты можно, предположив, что притяжение молекул (атомов) проявляется лишь на малых расстояниях между ними. Действительно, если нагреть стеклянные куски так, чтобы стекло стало мягким, и прижать их друг к другу, они слипнутся в одно целое.
Притягиваются и молекулы жидкости. Проведем опыт. Подвесим на пружине чистую стеклянную пластинку и отметим положение нижнего конца пружины указателем (рис. 106, а). Поднесем к пластинке сосуд с водой до соприкосновения с поверхностью воды (рис. 106, б), после чего будем опускать сосуд до отрыва пластинки. Растяжение пружины увеличится, что указывает на притяжение частиц жидкости (воды) в сосуде и на поверхности стеклянной пластины.
А вот молекулы (атомы) газа практически не притягиваются друг к другу. В газах частицы находятся на расстояниях, больших, чем в жидкостях и твердых телах. Притяжение на этих расстояниях ничтожно мало. Поэтому молекулы газа разлетаются по всему предоставленному газу объему. Например, запах духов из открытого флакона распространяется по всей комнате.
А есть ли между молекулами отталкивание?
Возьмите сплошной резиновый мячик и попробуйте его сжать (рис. 107, а). Легко ли это сделать? Стоит только перестать сжимать мячик, как он тут же восстанавливает свою форму (рис. 107, б). Значит, между частицами мячика существует отталкивание. Именно отталкивание частиц затрудняло сжатие мячика, оно же восстановило его первоначальную форму.
Очень важно понять, что притяжение и отталкивание частиц вещества проявляется лишь на малых расстояниях между частицами, т. е. в твердых телах и жидкостях, и заметно меняется при изменении этих расстояний. Описывая взаимодействие молекул, будем их моделировать шариками. Так, на определенных расстояниях притяжение двух молекул компенсируется (уравновешивается) отталкиванием (рис. 108, а). При отдалении молекул (рис. 108, б) отталкивание становится меньше притяжения, а при сближении молекул (рис. 108, в) отталкивание становится больше притяжения.
Взаимодействие двух молекул в теле условно можно сравнить со взаимодействием двух шариков, скрепленных пружиной (рис. 109, а). При расстояниях r > r0 (пружина растянута) шарики притягиваются друг к другу (рис. 109, б), а при расстояниях r < r0 (пружина сжата) — отталкиваются (рис. 109, в).
Хотя эта модель наглядна, но имеет недостаток: в ней между шариками проявляется или притяжение, или отталкивание. Между частицами вещества притяжение и отталкивание существует одновременно! На одних расстояниях (при отдалении частиц) преобладает притяжение, а на других (при сближении) — отталкивание.
- Какие известные вам факты объясняются взаимным притяжением частиц вещества? Взаимным отталкиванием?
- Почему газ всегда занимает весь предоставленный объем?
- Почему металлический трос растянуть гораздо труднее, чем резиновый таких же размеров?
- В медицинский шприц (без иголки) наберите воду. Закройте пальцем отверстие и сжимайте поршнем воду. Почему вода практически не сжимается?
- Сожмите ластик и отпустите. Что заставило ластик вернуться к первоначальной форме и размерам?
- Покажите на опыте, что сухие листы бумаги не прилипают друг к другу, а смоченные водой — прилипают. Объясните наблюдаемый эффект.
- Смочите два листочка бумаги: один — водой, другой — растительным маслом. Слипнутся ли они? Предложите гипотезу, объясняющую данное явление.
- Приведите в соприкосновение два куска парафиновой свечи. Соединились ли они? Почему?
- Нагрейте конец одного куска свечи на пламени спиртовки (или другой свечи) до мягкого состояния. Соедините куски. Что получилось в результате? Почему?
Интересно знать!
Если аккуратно ножом или лезвием зачистить торцы двух свинцовых цилиндров и плотно прижать их друг к другу, то цилиндры «слипаются». Взаимное притяжение цилиндров настолько велико, что они могут удерживать гирю массой m = 5 кг (рис. 110).
«Слипание» свинцовых цилиндров доказывает, что частицы веществ способны притягиваться друг к другу. Однако это притяжение возникает лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие (для этого и понадобилась зачистка лезвием). Кроме того, тела должны быть плотно прижаты друг к другу, чтобы расстояния между поверхностями тел было сравнимо с расстоянием между молекулами.