Съдържание

• Стъпки
• Въпроси и отговори на общността
• Неща, от които ще имате нужда

Други раздели

Повърхностното напрежение се отнася до способността на течността да се противопоставя на силата на гравитацията. Например, водата образува капчици на маса, тъй като водните молекули на повърхността се групират заедно срещу силата на гравитацията. Повърхностното напрежение е това, което позволява по-плътен обект, като насекомо, да може да се носи по водната повърхност. Повърхностното напрежение се измерва с количеството сила (N), упражнявано върху единица като дължина (m) или количеството енергия на измерена площ. Те се измерват като Нютон на метър (или N / метър). Силите, които водните молекули упражняват една върху друга, или кохезионните сили, предизвикват напрежението и са отговорни за формата на капки вода (или друга течност). Можете да измерите повърхностното напрежение с няколко домакински предмета и калкулатор.

Стъпки

Метод 1 от 3: Измерване на повърхностното напрежение с балансиращ лъч

1. 

   
   
   Дефинирайте уравнението, което да решите за повърхностно напрежение. В този експеримент уравнението за повърхностно напрежение ще бъде определено от уравнението F = 2sd. F е силата в нютони (N), с е повърхностното напрежение в (N / m), и д е дължината на иглата, използвана в експеримента. Пренареждането на уравнението за решаване на повърхностно напрежение дава s = F / 2d.
   • Силата ще бъде изчислена в края на експеримента.
   • Измерете дължината на иглата в метри с помощта на линийка, преди да започнете експеримента.

2. 

   
   
   Постройте малък лъч за балансиране. В този експеримент ще използвате балансиращ лъч и малка игла, плаваща върху повърхността на водата, за да измерите повърхностното напрежение. Балансиращата греда трябва да бъде добре конструирана, за да можете да получите точен резултат. За това можете да използвате много различни видове материали, просто се уверете, че централната греда е нещо здраво като дърво, пластмаса или плътен картон.
   • Отбележете центъра на материала, който ще използвате за вашата греда (слама, пластмасова владетел) и пробийте или пробийте дупка през нея; това ще бъде точката на опорна точка (точката, която позволява на лъча да се върти свободно). Ако използвате пластмасова сламка, можете просто да прободете щифт или пирон точно през нея.
   • Пробийте или пробийте дупка във всеки край на гредата, като се уверите, че те са на еднакво разстояние от средата. Прокарайте струна през всеки отвор, който да служи като държачи за съдовете за баланс. Уверете се, че има 1 низ за всяка дупка в двата края.
   • Поставете нокътя хоризонтално между две купчини книги, така че централната греда да може да се върти свободно.

3. 

   
   
   Сгънете парче алуминиево фолио, за да оформите кутия или съд. Ястието не трябва да бъде точно квадратно или кръгло. Съдът ще се напълни с вода или друга тежест, така че се уверете, че е достатъчно здрав, за да поддържа това.
   • Закачете кутията или чинията от единия край на гредата. Прокарайте малки дупки в страните на съда и прокарайте връвта, за да задържите съда.

4. 

   Закачете игла или кламер хоризонтално от другия край на гредата с конец. На противоположната страна на гредата завържете кламер или игла към края на низа, така че да лежи плоско. За да работи експериментът, е важно кламерът или иглата да са хоризонтални.

5. 

   Поставете парче материал като глина или плей-дох върху гредата, за да компенсирате алуминиевия съд. Преди да започнете експеримента, искате да се уверите, че лъчът лежи плоско. Съдът ще бъде по-тежък от иглата, което ще доведе до спускане на лъча по посока на съда. Добавете достатъчно глина към противоположната страна на гредата, така че лъчът да е равен.
   • Това се нарича противовес. Глината не влияе върху изчисленията, защото балансира гредата.

6. 

   Поставете иглата или кламера, висящи от гредата, в съд с вода. Тази стъпка може да изисква допълнителни усилия, за да се гарантира, че иглата лежи точно в горната част на повърхността на водата. Не искате иглата да е потопена във водата. Напълнете контейнер с вода (или друга течност с неизвестно повърхностно напрежение) и го поставете под иглата на височина, която позволява на иглата да почива директно върху повърхността.
   • Уверете се, че връвта, която държи иглата на място, остава опъната, след като иглата е върху водата.

7. 

   Претеглете партида щифтове или няколко измерени капки вода на малка пощенска везна. Ще добавяте щифтове или капки вода една по една към алуминиевия съд, който сте конструирали по-рано. За изчислението е важно да се знае точно колко тегло е необходимо, за да се вдигне иглата от водата.
   • Избройте няколко пина или капки вода и ги претеглете.
   • Определете индивидуалното тегло на всяка капка или щифт, като разделите общото тегло на броя щифтове или капки вода.
   • Например, да кажем, че 30 щифта тежат 15 грама: 15/30 = 0,5. Всеки щифт тежи 0,5 грама.

8. 

   Добавяйте щифтовете или капки вода един по един към контейнера си с алуминиево фолио, докато иглата се освободи от повърхността на водата. Бавно добавяйте щифт или капка вода към алуминиевия съд по един щифт / капка наведнъж. Наблюдавайте внимателно иглата, за да видите дали тя излиза от водата при всяко ново добавяне. Спрете да добавяте щифтове / капки, след като иглата вече не е в контакт с повърхността на водата.
   • Пребройте броя на щифтовете или капки вода, необходими за отстраняване на противотежестта от повърхността на водата.
   • Записвайте всяко четене.
   • Повторете упражнението няколко пъти (5 или 6) за по-точни показания.
   • Изчислете средната стойност на резултатите, като добавите общия брой щифтове, необходими за всяко изпитване, и разделите това на общия брой опити.

9. 

   Преобразувайте измерването на щифтовете в сила, като умножите броя на грамовете по 0,00981 N / g. За да изчислите повърхностното напрежение, трябва да знаете общото количество сила, необходима за отстраняване на иглата от повърхността на течността. Тъй като сте претеглили щифтовете в предишната стъпка, можете лесно да направите това изчисление, като използвате коефициента на преобразуване 0,00981 N / g.
   • Умножете броя на щифтовете, добавени към съда, по теглото на всеки щифт. Например 5 пина при 0,5 g / пин = 5 x 0,5 = 2,5 g.
   • Умножете количеството грамове по коефициента на преобразуване 0,00981 N / g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.

10. 

    Включете променливите в уравнението и решете. Използвайки измерванията, които сте събрали по време на експеримента, вече можете да решите за сила. Просто включете числата в правилната променлива и решете, като използвате правилния ред на операциите.
    • Продължавайки нашия пример, да кажем, че иглата е била с дължина 0,025 m. Включването на променливите в уравнението дава: S = F / 2d = 0,025 N / (2 x 0,025) = 0,05 N / m. Повърхностното напрежение на течността е 0,05 N / m.

Метод 2 от 3: Измерване на повърхностното напрежение с капилярно действие

1. 

   Разберете капилярното действие. За да разберете капилярното действие, първо трябва да разберете адхезията и кохезионните сили. Адхезията е силата, която кара течността да се придържа към твърда повърхност, като например ръба на чаша. Кохезионните сили са тези, които изтеглят течните молекули една към друга. Комбинацията от адхезионни и кохезионни сили кара течността да се издига нагоре в центъра на тънка тръба.
   • Височината, с която се издига течността, може да се използва за изчисляване на повърхностното напрежение на тази течност.
   • Кохезията кара водата да образува мехурчета или капчици на повърхността. Когато течността е в контакт с въздуха, молекулите чувстват привлекателни сили една към друга и правят балон на повърхността.
   • Адхезията причинява менискус, който се вижда в течности, когато те се придържат към стените на чаша. Това е вдлъбнатата форма в горната част на течността, видяна на нивото на очите.
   • Пример за капилярно действие е да наблюдаваме как водата се издига в сламка, поставена в чаша вода.

2. 

   Дефинирайте уравнението, което да решите за повърхностно напрежение. Повърхностното напрежение се дава от уравнението S = (ρhga / 2) където С е повърхностното напрежение, ρ (или rho) е плътността на течността, която измервате, з е височината, която течността се издига в тръбата, ж е ускорението поради гравитацията, действащо върху течността (9,8 m / s) и а е радиусът на капилярната тръба.
   • Когато работите по това уравнение, уверете се, че всичките ви единици са в правилната метрична форма: плътност в kg / m, височина и радиус в метри и гравитация в m / s.
   • Ако плътността на течността не е дадена, можете да я потърсите в справочник или да я изчислите, като използвате уравнението плътност = маса / обем.
   • Единицата за повърхностно напрежение е един нютон на метър (N / m). Нютон е равен на 1 kg-m / s. За да изчислите единиците сами, просто решете уравнението само с единици. S = kg / m * m * m / s * m. Две от мерните единици отменят две от мерните единици и оставате с 1 kg-m / s / m или 1 N / m.

3. 

   Напълнете контейнер с течност с непознато повърхностно напрежение. С помощта на плитка чиния или купа я напълнете с около сантиметър от въпросната течност. Количеството добавена течност не е от значение, стига да можете ясно да видите нарастването на течността в капилярната тръба.
   • Ако повторите това с различни течности, уверете се, че съдът е добре почистен и изсушен, преди да добавите следващата течност. Като алтернатива, просто използвайте отделни съдове за всяка течност.

4. 

   Поставете бистра, тънка тръба в течността. Това е тръбата, от която ще измервате, за да изчислите повърхностното напрежение. Тръбата трябва да е чиста, за да можете да видите колко далеч течността се издига над нивото в съда. Тръбата също трябва да има същия радиус през цялото време.
   • За да измерите радиуса, просто поставете линийка в горната част на тръбата и определете диаметъра. Разделете диаметъра на 2 и имате радиус.
   • Можете да закупите тези тръби онлайн или от железария.
   • Може да бъде трудно да се измерват точно малките промени във височината, в която течността ще се издига в сламка или широка тръба. Тъй като височината, до която водата ще се издигне, е обратно пропорционална на диаметъра на тръбата (по-тясна тръба = по-голямо покачване), този експеримент е много по-лесно да се направи с тясна прозрачна капилярна тръба. Те могат да бъдат закупени на ниска цена онлайн, но потвърдете, че е осигурен вътрешният диаметър (обикновено около 1 мм-1,2 мм) и двата края са отворени. Тъй като те са крехки и направени от стъкло, внимавайте при боравенето с тях.

5. 

   Измерете височината, която течността се издига над течността в контейнера. Поставете дъното на владетел директно над течността в съда и измервайте колко високо се е вдигнала течността в тръбата. Водата се издига поради силата на повърхностното напрежение нагоре, която е по-голяма от силата на тежестта надолу.

6. 

   Включете измерените стойности в уравнението и решете. След като сте определили всички необходими променливи, можете да ги включите във формулата и да решите за повърхностно напрежение. Не забравяйте да конвертирате всичките си стойности в метрични, за да може проблемът да бъде решен правилно.
   • Да кажем например, че измерваме повърхностното напрежение на водата. Водата има плътност около 1000 kg / m (в този пример ще използваме приблизителни стойности). Променливата g винаги е 9,8 m / s. Радиусът на тръбата е 0,029 m, а водата се издига на 0,0005 m. Какво е повърхностното напрежение на водата?
   • Включването на променливите в уравнението дава: S = (ρhga / 2) = (1000 x 9,8 x 0,029 x 0,0005) / 2 = 0,1421 / 2 = 0,071 J / m.

Метод 3 от 3: Измерване на относителното повърхностно напрежение с пени

1. 

   Съберете вашите материали. За този експеримент ще ви трябват капкомер за очи, суха стотинка, вода, малка купичка, сапун за съдове, масло и кърпа. Повечето от тези предмети могат да бъдат намерени в къщата или закупени в хранителния магазин. Не е нужно да използвате сапун и олио, но ще искате различни течности, за да сравните повърхностното им напрежение.
   • Уверете се, че стотинката е напълно чиста и суха, преди да започнете експеримента. Ако върху стотинката има други течности, експериментът няма да бъде точен.
   • Този експеримент не ви позволява да изчислите повърхностното напрежение, а просто да определите повърхностното напрежение на различни течности един спрямо друг.

2. 

   Капете по една капка течност наведнъж върху стотинката. Поставете стотинката върху кърпа или повърхност, която нямате нищо против да се намокрите. Напълнете капкомера с първата течност. Капете бавно течността върху стотинката, като внимавате да изпускате само по една капка наведнъж. Пребройте броя на капки, необходими за запълване на стотинката, докато течността изтече.
   • Запишете колко капки са необходими, за да тече течността през страната на стотинката.

3. 

   Повторете експеримента с различна течност. Почистете и подсушете стотинката между всеки тест на течността. Изсушете повърхността, върху която сте поставили стотинката, преди да повторите експеримента. Използвайте няколко капкомера или го почиствайте между употребите.
   • Опитайте да смесите малко сапун за съдове с водата и да пуснете отново, за да видите дали повърхностното напрежение се променя.

4. 

   Сравнете броя капки, необходими за запълване на стотинката за всяка течност. Опитайте да повторите експеримента със същата течност няколко пъти, за да видите дали получавате точен брой. Усреднете опитите заедно, като ги съберете и разделите на броя на проведените опити. Запишете кои вещества са изисквали най-много капки и кои са изисквали най-малко, за да запълнят стотинката.
   • Веществата с по-високо повърхностно напрежение ще имат повече капки върху стотинката, отколкото вещества с по-ниско повърхностно напрежение.
   • Сапунът за съдове намалява повърхностното напрежение на водата, като използва по-малко капки, за да запълни стотинката.

Въпроси и отговори на общността

Мога ли да използвам стотинки вместо капчици вода или щифтове?

Не. Стотинките имат много плътна и тежка повърхност, а не водни капчици или щифтове.

Имам домашна пипета без крушки, дълга 66 см. При затваряне течността не изтича. Има ли универсална формула за този ефект? Повърхностно напрежение, адхезия, гравитация, въздушно налягане?

Ако течността в изхода на пипетата изтече, това би създало почти вакуум, всмуквайки течността обратно. Никой газ не може да замести течността, така че единственият наличен газ се опитва да запълни пространството. Това създава смукателната сила (като принципа на прахосмукачката), която поддържа течността на място.

Какво да направя, ако метод 2 не работи? Потапям епруветката във вода, но няма течност горе, където течността в съда свършва.

Използвайте капилярна тръба, която има малък вътрешен радиус. Освен това използвайте пътуващ микроскоп за по-добри показания и следователно по-добри резултати.

Какво означава N / m и N / g?

Те означават съответно нютон на метър и нютон на грам.

Капилярното действие не работи и се опитах да използвам по-малка сламка. Някакъв съвет?

По-малка сламка ще бъде по-лесна. Експериментът също така използва неправилно число за плътност на водата, което трябва да бъде 1000 kg / m3, а не 1 kg, така че в дадения пример водата ще се покачи само 0,5 mm, а не 50 cm.

Забравен ли е контактният ъгъл във формулата на капилярното действие?

Това е валидна точка - ъгълът на контакт трябва да бъде 90 градуса спрямо повърхността на водата.

Неща, от които ще имате нужда

• Слама, пластмасова линийка или друга твърда пръчка
• Струна
• Алуминиево фолио
• Моделираща глина или друг подобен материал
• Дълга игла или нокът за опорна точка
• Кламер или игла за потапяне във вода
• Книги или друг материал с еднакво тегло за поддържане на балансиращия лъч
• Калкулатор
• Малък контейнер
• Вода
• Очна капкомер, пипета или щифтове
• Пощенска везна или друго малко устройство за претегляне
• Плитък съд