fizika vodene povrsine radionica i aviani

Fizika vodene povrine

radionica Ivica Aviani

Zagreb, 2009.

E-kola FIZIKA

8/2009 Ivica Aviani, Fizika vodene povrine - radionica

2

Sadraj

to je povrinska napetost.......................................................................3

Zato novi pliva....................................................................................2

Postoji li napeta povrina i s donje strane ..............................................5

Moemo li ''razbiti'' povrinu vode ..........................................................6

amac na alkohol.....................................................................................7

Sile meu tijelima na povrini tekuine...................................................8

Voda u elektrinom polju.......................................................................10

Kapljica u slobodnom padu.....................................................................11

Kapljica na krutoj podlozi........................................................................12

Vodoodbojna nanotehnologija................................................................13

Kuna nanotehnologija............................................................................14

Nanotehnologija prirode..........................................................................15

E-kola FIZIKA


3

to je povrinska napetost

Povrinska napetost je sila po jedininoj duljini presjeka povrine, a jedinica je njutn po

metru, N/m, slino kao to je tlak sila po jedininoj plotini povrine. Napetost je jednako

teko uoiti kao i tlak. Uzmemo li ploicu plotine 1 cm2, zbog atmosferskog tlaka, na nju

djeluje sila od 10 N, kao da smo je pritisnuli utegom od 1 kg! Meutim, jednaka sila djeluje s

obje strane ploice i rezultanta je jednaka nuli. Ploica je u ravnotei i zato ne vidimo uinak

tlaka. Ako uinak tlaka elimo vidjeti, moramo ukloniti zrak s jedne strane ploice.

Slina je stvar s koncem duljine 1 cm koji pliva na povrini vode. Sa svake strane, okomito na konac, a tangencijalno s povrinom vode, djeluje sila od 0,72 mN. Djelovanje te sile moemo uoiti ako uklonimo ili razbijemo povrinu s jedne strane konca, npr. pomou deterdenta.

Molekule u unutranjosti tekuine okruene su veim brojem istovrsnih molekula nego one

na povrini, to rezultira njihovom manjom potencijalnom energijom. Zbog toga razloga,

molekule s povrine imaju tenju prodrijeti u dublje slojeve. Gustoa se povrinskoga sloja na

taj nain smanjuje, a udaljenost meu molekulama postaje vea od ravnotene. Vei prostor

meu molekulama na povrini omoguuje i vei nered u njihovu slaganju, odnosno veu

entropiju. Nered e biti to vei to je temperatura vea. Kako molekule ne vole samo mjesta

manje energije, nego i mjesta veega nereda, one e imati tenju gibati se prema povrini.

Nastat e stacionarno stanje u kojem je tok molekula od povrine jednak toku molekula

prema povrini. U tom stacionarnom stanju gustoa molekula je na povrini manja od

gustoe tekuine.

Napetost povrine nastaje zato jer je povrinski sloj tekuine rjei od njene unutranjosti.

Zbog toga molekule nisu na ravnotenim udaljenostima, nego su meusobno udaljenije, pa

meu njima djeluju privlane sile s tenjom da smanje razmak molekula. Ove privlane sile

stvaraju povrinsku napetost. Povrinska napetost se smanjuje poveavanjem temperature,

jer poveani nered potie povratak odbjeglih molekula natrag na povrinu.

Povrinska energija je jednaka radu potrebnom da se stvori jedinina povrina i ima jedinicu

dul po kvadratnome metru, J/m2. elimo li presjei neki predmet moramo upotrijebiti

barem energiju jednaku energiji dviju novih ploha koje nastaju presjekom. Kod tekuina je

povrinska energija brojano jednaka povrinskoj napetosti, dok kod krutih tijela ne moemo

govoriti o povrinskoj napetosti jer molekule nisu dovoljno pomine.

E-kola FIZIKA


4

Zato novi pliva Pokus

1) Vilicom paljivo postavimo aluminijski novi na povrinu vode. To su kovanice

od 1 i 2 lipe. Novi pliva iako je gustoa aluminija ak 2,7 puta vea od gustoe

vode!

Diskusija

Zagledamo li se u povrinu vode oko aluminijskoga novia, uoavamo da je ona udubljena.

Drugim rijeima, novi na povrini radi uleknue. Postavlja se pitanje zato novi ne potone

budui da ima veu gustou od gustoe vode? Koja to dodatna sila djeluje na novi osim

uzgona1 i sile tee koja omoguava njegovo zadravanje na povrini? Rije je o povratnoj sili

koja se javlja kao posljedica povrinske napetosti, nakon to je novi napravio uleknue. Ta

povratna sila i sila uzgona uravnoteene su silom teom pa aluminijski novi miruje na

povrini vode.

Ali, zato voda ne preplavi novi, zato zastaje na njegovu rubu? Iako voda moi aluminij,

nije ga smoila jer bi tako poveala svoju povrinu na raun slobodne povrine, a to kota

energije. Ako au zatresemo, voda e zatitrati, a vodena linija e prekriti novi. Nestat e

povratna sila povrinske napetosti i novi e potonuti.

Zakljuak

Povrina vode ponaa se kao elastina membrana.

1 Uzgon na novi postoji zato jer je donja ploha novia ispod razine vode u ai.

E-kola FIZIKA


5

Postoji li napeta povrina i s donje strane? Pokus

2) Napravimo plovak tako da od ice formiramo prsten i privrstimo ga za ep od

pluta. Prsten treba biti u horizontalnom poloaju i treba se uzdizati iznad povrine

vode. Da bismo to postigli, dodajmo dovoljno pretega ispod epa i na taj nain

smanjimo razliku uzgona i sile tee. Za utege mogu posluiti i avli koje postupno

zabadamo u pluto. Ako prsten gurnemo ispod povrine vode, on zastaje na

vodenoj povrini i ne moe se vratiti natrag u poetni poloaj iznad vode.

Diskusija

Oito je da postoji dodatna sila koja se protivi uzgonu i sprjeava prsten da izae iz vode. To

je elastina sila povrinske napetosti. Tek razbijanjem povrine i moemo izvui prsten.

Zakljuak

Povrina vode ponaa se kao elastina membrana i s donje strane.

E-kola FIZIKA


6

Moemo li ''razbiti'' povrinu vode? Pokus

3) Uzmemo bijeli tanjur, napunimo ga vodom i pospemo papar po povrini vode

tako da povrinu uinimo vidljivom. Papar ne tone jer ga pridravaju elastine sile

koje nastaju zbog povrinske napetosti. Stavimo malo tekuega deterdenta na

prst i njime dotaknemo sredinu povrine. Papar se naglo povlai uz rub tanjura, a

sredina postaje prozirna to dokazuje mogunost "razbijanja" povrine vode.

Diskusija

4) to se zapravo dogodilo moemo zorno prikazati dodatnim pokusom. Preko ruba

ae zategnemo elastinu opnu, npr. ravni dio kirurke rukavice. Probijemo li

sredinu opne otrim predmetom, ona se zbog zategnutosti naglo povlai prema

rubu ae. Kada bismo na opnu stavili papar, opna bi ga povukla za sobom. Slino

se dogodilo s vodenom povrinom kada smo je probili deterdentom.

Zakljuak

Povrina vode ponaa se slino zategnutoj opni. Moemo je ''razbiti'' pomou deterdenta.

E-kola FIZIKA


7

amac na alkohol Pokus

5) Od tankoga stiropora napravimo amac s udubljenom krmom. Postavimo ga na

mirnu vodenu povrinu te kapamo alkohol u udubljenje. amac se kree prema

naprijed.

Diskusija

Predmet koji pluta prekida vodenu plohu ispod sebe, tako da povrina vode dopire samo do

predmeta, odnosno do vodene linije u kontaktu s njim. Napetost povrine povlai amac na

vodenoj liniji u svim smjerovima jednakom silom po jedininoj duljini. Zbog toga amac na

poetku miruje. Kapanjem alkohola smanjujemo povrinsku napetost iza amca jer alkohol

ima oko tri puta manju povrinsku napetost od vode. Prevladavaju sile na pramanoj

vodenoj liniji i amac se poinje kretati prema naprijed. Alkohol se mijea s vodom i brzo

prodire u dublje slojeve vode pa istu vodu moemo dugo koristiti za pokus.

Zakljuak

Napetost povrine povlai amac na vodenoj liniji u svim smjerovima jednakom silom po

jedininoj duljini. To vidimo po tome to se predmet pomie ako naruimo ravnoteu sila.

E-kola FIZIKA


8

Sile meu tijelima na povrini tekuine Pokusi

6) U usku au ulijemo vodu tako da razina vode bude oko 3 cm ispod ruba ae.

Nagnemo au i vilicom paljivo postavimo aluminijski novi na povrinu vode.

Kada uspravimo au, novi e se postaviti tono na sredinu ae. Ako sada

vilicom lagano odgurujemo novi prema rubu ae, on se uvijek vraa natrag u

sredinu.

7) Ako au napunimo vodom do samoga vrha (pri emu pazimo da se voda ne

prelije) te poloimo novi na povrinu, on e se postaviti uz rub ae.

8) Ponovimo li prethodna dva pokusa s plutenim diskom koji smo noem odrezali od

epa boce za vino, vidjet emo da se pluto ponaa obratno od aluminija.

9) Vilicom paljivo postavimo dva aluminijska novia na povrinu vode i dovedimo

ih na meusobnu udaljenost 1 - 2 cm. Pomicati ih moemo npr. vilicom ili

akalicom pazei da pritom ne "razbijemo" povrinu. Preputeni sami sebi,

novii e se pribliavati i na kraju e se spojiti.

E-kola FIZIKA


9

10) Isti pokus moemo napraviti i s dva plutena diska koji se na povrini takoer

privlae.

11) Postavimo li pak na povrinu vode pluto i novi, oni e se meusobno odbijati.

Diskusija

Ovaj niz pokusa pokazuje da postoje privlane i odbojne sile meu tijelima na povrini

tekuine. Koje je porijeklo ovih sila? Kako se one ponaaju? Moemo li temeljem pokusa

donijeti neke zakljuke? Pravilo moe npr. biti da se jednaki predmeti privlae, a razliiti

odbijaju. No, kako objasniti meudjelovanje ruba ae i predmeta? Kroz diskusiju i

ponovljeno opaanje mogue je na jednostavan nain objasniti sve pokuse, otkrivajui

reducirano pravilo po kojemu ove sile djeluju.

Zagledamo li se u povrinu vode oko aluminijskoga novia, uoavamo da je ona udubljena.

Ako pogledamo kako izgleda povrina vode oko plutenog diska, uoit emo da pluto na vodi

radi uzdignue. tovie, postavljajui pluto na vodenu povrinu ne moramo biti oprezni kao s

noviem. ak i ako ga potpuno smoimo, on e plutati, a voda e se uzdizati uz njegov rub.

U ovome primjeru povratna sila povrinske napetosti djeluje prema dolje i zajedno sa silom

teom uravnoteuje uzgon.

Na kraju uoimo da se voda uz rub ae uzdie, ako aa nije puna, a sputa ako je aa

prepunjena.

Zakljuak

Zbog povrinske napetosti tekuina nastoji poprimiti takav oblik u kojem je njena povrina

najmanja. Zbog toga se na mjestima gdje povrina nije ravna, a to je oko plutajuih tijela ili

uz rub posude, pojavljuju sile s tenjom da smanji povrinu. Kao rezultat toga, uzdignua se,

jednako kao i uleknua, meusobno privlae, dok se uleknue i uzdignue meusobno

odbijaju.

E-kola FIZIKA


10

Voda u elektrinom polju Pokusi

12) Plastini tap, varjau, ravnalo ili bilo koji predmet pogodnog oblika, natrljamo

suhom krpom ili papirnatom salvetom tako da ga elektriziramo. Zapitamo se to

e se dogoditi ako ga prinesemo plutu koje pluta na vodi. Oekujemo da e tap

privui pluto, kao to privlai i ostale predmete. To se stvarno i dogaa.

13) Zatim elektrizirani tap primaknemo aluminijskom noviu na povrini vode.

Suprotno oekivanju, elektriziran tap odbija novi!

Diskusija

Kroz diskusiju treba ustanoviti da elektrizirani tap polarizira i privlai sve neutralne

predmete u svojoj okolini, te da sigurno privlai kako pluto tako i novi, ali i vodu koja je

izrazito polarna. Zbog privlane elektrine sile, voda se ispod tapa uzdie. To vodeno

uzdignue djeluje odbojno na uleknue novia i privlano na uzdignue pluta.

Zakljuak

Voda ima izrazito polarna svojstva. U nehomogenom elektrinom polju elektriziranoga tapa

povrina vode se uzdie. Zbog toga se mogu javiti sile napetosti na plutajue predmete.

E-kola FIZIKA


11

Kapljica u slobodnom padu Pokus

14) Promatrajmo kapi vode koje kapaju iz loe zatvorene slavine ili putajmo kap po

kap pomou trcaljke i promatrajmo promjene oblika kapljice dok slobodno pada.

Diskusija

Kapljica vode u slobodnom padu poprima oblik kugle. U sustavu koji slobodno pada kap je u

besteinskom stanju, tj. nema dodatnih vanjskih sila na nju. Djeluju samo sile napetosti

povrine koje imaju tenju to vie smanjiti njenu povrinu. Kap poprima oblik kugle jer je za

isti obujam kugla tijelo najmanje povrine. Slini zanimljivi pokusi izvode se u orbitalnoj

stanici koja neprekidno slobodno pada prema Zemlji.

Zakljuak

U besteinskom stanju, pri slobodnom padu, kapljica poprima oblik kugle jer povrinska

napetost nastoji njenu povrinu uiniti najmanjom.

Kapljica na krutoj podlozi Pokusi

15) Postavimo istu teflonsku traku na ravnu podlogu. Pomou trcaljke postepeno

dodajemo vodu na teflonsku traku i promatramo promjene oblika kapljice.

16) Isti pokus ponovimo na staklenoj i metalnoj podlozi. Prije upotrebe podloge treba

oprati deterdentom, dobro isprati vodom i osuiti.

E-kola FIZIKA


12

Diskusija

to primjeujemo? Mala kap vode dio je kugle odrezan podlogom - kalota. Rez nastaje zbog

adhezijskih sila izmeu molekula vode i podloge. Kap na teflonskoj traci je kugla odrezana

ispod, a na staklu i na metalu iznad sredita. Ako kap poveavamo, ona postaje spljotena i

poprima oblik palainke. Uz sile napetosti, oblik vee kapi odreen je i teinom, odnosno

reakcijom podloge. Primijetimo da, bez obzira na promjenu oblika, izgled ruba kapi ostaje

jednak. Oblik ruba ovisi o kutu moenja, odnosno o kutu izmeu plohe kapi i podloge na

mjestu dodira. Kut moenja, ovisi samo o vrsti podloge, ne i o veliini kapi. Njega odreuju

omjeri meumolekulskih sila, kohezije i adhezije. Kut moenja vana je fizika veliina.

Moemo uoiti da su staklo i metal vodoprivlane podloge jer se voda protee daleko po

podlozi i sredite zakrivljenosti kalote je ispod dodirne plohe. Takoer, uoavamo da je

teflon vodoodbojan jer se kap ne iri po njemu, a sredite zakrivljenosti vodene kalote je

iznad podloge.

Moda ste primijetili da je na poetku teko napuhavati djeji balon, ali im krene ide sve

lake. Razlog tomu je to tlak u balonu ovisi obrnuto razmjerno o njegovu radijusu. Ovo je

zapravo samo priblina tvrdnja jer se napuhavanjem balona poveava i elastina sila

napetosti. Kod kapi tekuine to nije sluaj. Napetost je uvijek jednaka i ne ovisi o tome koliko

smo rastegnuli povrinu. Stoga je tlak u kapi obrnuto razmjeran radijusu kapi. Zato je tlak u

maloj kapi velik pa reakcija podloge neznatno utjee na njen oblik. Zbog malog tlaka, velika

kap ne moe zadrati oblik kugle. Sjetite se samo kako izgleda dobro i loe napumpana

automobilska guma.

Zakljuak

Kut moenja ovisi samo o vrsti podloge i tekuine, ne i o veliini kapi. Njega odreuju omjeri

sila adhezije i kohezije. Teflon je vodoodbojan, a staklo i aluminij su vodoprivlani.

E-kola FIZIKA


13

Vodoodbojna nanotehnologija Pokusi

17) Tkaninu poprskamo vodoodbojnim sredstvom ije otapalo sadri nanoestice

stakla. Nakon to se tkanina osui, trcaljkom nanesemo kap vode na nju. Mala

kap ima oblik kugle! Kap nimalo ne moi podlogu bez obzira na veliinu i kotrlja se

po podlozi.

18) Isti pokus ponovimo sa staklom prepariranim vodoodbojnim sredstvom. Uinak je

slian.

Diskusija

Nanoestice nanesene na podlogu svojim iljcima pridravaju kap vode, slino avlima koji

podravaju fakira dok lei na njima. Samo je oko 3 % vode u kontaktu s podlogom, a ispod

kapi je zapravo zrak. Zbog male kontaktne povrine, adhezijske sile ne dolaze do izraaja i ne

remete oblik kugle koji spontano poprima mala kap. Podloga je supervodoodbojna.

Zakljuak

Nanoestice nanesene na podlogu ine je supervodoodbojnom. Mala kap na podlozi

poprima oblik kugle.

E-kola FIZIKA


14

Kuna nanotehnologija Pokusi

19) Komad metala ili udubljenu stranu lice prinesite votanoj svijei ili petrolejskoj

svjetiljci dok je dobro ne zaaite. Na zaaenu licu nanesite kap vode. Voda ne

moi licu. aa je supervodoodbojna!

20) Zaaeni metal ili licu uronite u vodu. aa poprima svojstva zrcala savreno

odbijajui svjetlost!

Diskusija

to se dogodilo? aa sadri sloene spojeve ugljika u obliku nanosfera i nanocjevica koje

prianjaju na licu inei je neravnom na mikrometarskoj i nanometarskoj ljestvici. Takva

ploha postaje supervodoodbojna. Kada licu uronimo u vodu, voda ne prodire do ae nego

se zadrava na njenim iljcima, a ispod nje ostaje tanak sloj zraka. Na toj granici, na granici

izmeu vode i zraka, dolazi do potpune refleksije svjetlosti pa se zaaena ploha ponaa

poput zrcala.

Zakljuak

aa nanesena na podlogu ini je supervodoodbojnom. Izmeu vode i ae nalazi se tanak

sloj zraka.

E-kola FIZIKA


15

Nanotehnologija prirode Pokusi

21) Na list ratike stavite malo vode. Voda klizi niz list ne moei ga. List ratike je

supervodoodbojan.

Diskusija

Neki dijelovi biljaka, kao to je lotosov list i list ratike, te ivotinja kao to su leptirova krila,

graeni su tako da imaju neravnine na mikrometarskoj i na nanometarskoj ljestvici i zato su

supervodoodbojni. Zbog toga imaju i svojstva i samoienja jer voda, kotrljajui se niz njih,

skuplja sitne estice praine i nametnike s njihove povrine.

Zakljuak

Supervodoodbojnost nalazimo u prirodi. List ratike je supervodoodbojan.

fizika vodene povrsine radionica i aviani

Documents