Сила притяжения между молекулами, которая придает спаянность жидкости, является источником самых разных явлений в повседневной жизни.
Приоткройте немного кран у себя в ванной, вода начнет сочиться и формировать капли, которые падают, только достигнув определенного веса. Причина в том, что молекулы воды притягиваются друг к другу и к молекулам крана: это притяжение вверх (к крану) компенсирует вес капли. По мере того как капля растет, ее вес увеличивается, пока она наконец не сможет оторваться от крана.
Падающая капля имеет форму сферы: причина опять-таки в том, что в ней все молекулы притянуты друг к другу.
Проведем аналогию с Землей: если материя на ее поверхности находится на возвышении (например, на горе), рано или поздно она неизбежно стремится упасть вниз (обрушение скал из-за эрозии рек, уносящих материю вниз). Именно это и является причиной того, что Земля круглая: всякая неровность в конце концов исчезает из-за земного притяжения.
По тому же принципу капля воды притягивает любую возможную неровность, что позволяет ей сохранять форму сферы.
Приоткройте кран еще немного: теперь капли воды находятся слишком близко друг к другу, чтобы падать по одной, и образуют струю. Позвольте воде пролиться до дна ванны, она проложит себе путь к сливному отверстию. Вы видите, что, когда дорога проложена, вода с удовольствием устремляется по ней. Было бы очень трудно заставить воду изменить маршрут, даже если вы измените почву, потому что молекулы воды притянуты своими предшественницами и стремятся пройти тот же путь, что и они.
Проведем другой, очень известный опыт: медленно поднесите ладонь к поверхности воды. На небольшом расстоянии вы вдруг почувствуете, что вода притягивается к вашей ладони. Если вы захотите убрать руку, то ощутите некоторое сопротивление из-за притяжения между вашей рукой и молекулами воды.
Это же является причиной возникновения «мениска», который появляется на поверхности воды в стакане: вода поднимается по стенкам, несмотря на силу тяжести, потому что молекулы воды крепко притягиваются молекулами стакана. Данный феномен называется капиллярностью.
Это явление особенно заметно в очень узких стаканах. В стеклянной трубке с маленьким диаметром вес воды достаточно небольшой, чтобы жидкость могла сама по себе подняться на несколько сантиметров, притянутая стеклянной стенкой. Тот же процесс капиллярности наблюдается во время подъема сока внутри дерева.
Рассмотрим наконец последний, довольно классический опыт: осторожно положите булавку на поверхность воды. Булавка не утонет, хотя ее плотность больше плотности воды. Чтобы убедиться в этом, надавите на булавку пальцем. Когда вода покроет ее целиком, она утонет. Рис. 10.5 позволяет понять, что происходит: мы изобразили углубление на поверхности воды, вызванное присутствием предмета, положенного сверху. Силы притяжения заставляют молекулы воды (шарики) максимально сблизиться друг с другом: в этом случае говорят, что на поверхности воды возникло «поверхностное натяжение».
Мы показали стрелками силы, которые действуют на молекулу на дне углубления, возникающие из-за притяжения между молекулами. Глядя на изгиб углубления, мы ясно видим, что это вызывает силу, в целом направленную вверх, которая стремится поднять молекулу вверх. Эта сила, направленная вверх и возникшая благодаря поверхностному натяжению, может компенсировать вес, направленный вниз: поэтому предмет держится на воде. Одним словом, вода пытается поднять любое углубление, образованное предметом на ее поверхности, что вызывает силу, направленную вверх, которая не дает предмету тонуть.
Поверхностное натяжение объясняет, каким образом некоторые насекомые могут передвигаться, скользя по поверхности воды, в то время как их лапки должны были бы погрузиться в воду: понаблюдав за ними, мы заметим небольшие углубления возле их лапок, которые и являются причиной этого чуда.
Рис. 10.5 – Деформация поверхности воды и поверхностное натяжение