Экспертиза туалетной бумаги

Для исследования нам необходимо знать понятия смачивающая жидкости и несмачивающая жидкость; анализ формулы для расчета высоты понятия смачивающей жидкости по капилляру; получение практических навыков определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости; получение практических навыков определения среднего диаметра капилляров в пористом материале; повторение формулировки закона Гука; познания понятий; относительное удлинение, механическое напряжение, предел прочности на растяжение; получение практических навыков определения максимального усилия на разрыв и предела прочности; выработка умений сопоставлять и анализировать результаты исследований.

Поверхностное натяжение.

Особенности взаимодействия молекул поверхностного слоя жидкости. При уменьшении температуры газа и увеличение его давления уменьшается скорость молекул и сокращается среднее расстояние между ними. Силы притяжения молекул становятся особенно существенными, когда средняя потенциальная энергия молекул порядка их средней кинетической энергии: Ep ≈ kT. Притягиваясь, друг к другу, молекулы объединяются в частицы пара, которые образуют жидкость. Если газ занимает весь предоставленный ему объем, то жидкость может занимать лишь определенную часть сосуда.

Из – за сильного притяжения молекул жидкость сохраняет объем. На границе с газом (или паром) жидкость образует свободную поверхность.

Молекулы на поверхности жидкости находятся в особых условиях по сравнению с молекулами внутренних слоев. Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна нулю.

Молекулы поверхностного слоя жидкости притягиваются только молекулами внутренних слоев. Молекулы, находящиеся на поверхности, под действием результирующей силы притяжения втягиваются внутрь жидкости. На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности жидкости оказывается минимальной при данном ее объеме.

Поэтому жидкость (в отсутствии силы тяжести или в случае, когда она уравновешена силой Архимеда) принимает сферическую форму, имеющую минимальную поверхность при одном и том же объеме

При свободном падении, в состоянии невесомости капли дождя практически имеют форму шара. В космическом корабле шарообразную форму принимает и достаточно большая масса жидкости.

Молекулы поверхностного слоя оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая ее поверхность к минимуму. Этот эффект называют поверхностным натяжением.

Это притяжение обусловливает дополнительную потенциальную энергию молекул на поверхности жидкости.

Энергия поверхностного слоя жидкости пропорциональна его площади S:

, где σ – коэффициент пропорциональности, характеризующий энергию молекул на единице площади поверхности жидкости.

Сила поверхностного натяжения. Рассмотрим опыт с мыльной пленкой, образованной на прямоугольнике с подвижной перемычкой длинной l .

В отсутствие внешней силы (F0 = 0) вдоль поверхности жидкости действует сила поверхностного натяжения, которая сокращает до минимума площадь поверхности пленки. В результате подвижная перемычка сместится влево.

При равномерном растяжении ∆х пленки сила F0 совершает работу

А = F0∆х.

Вдоль поверхности пленки действуют равные силы поверхностного натяжения F1 и F2:

F1 = F2 = Fпов/2.

При равновесии перемычки

F0 = F1 + F2= Fпов.

В процессе растяжения поверхности жидкости (в отличие от растяжения резины) среднее расстояние между молекулами не изменяется.

Поверхность жидкости, увеличивающаяся на ∆S = 2l ∆x, заполняется молекулами внутренних слоев. Число молекул поверхностного слоя при этом возрастает, и увеличивается поверхностная энергия

∆Eпов = σ ∆S.

В соответствии с законом сохранения энергии

2Fпов ∆x = σ ∙ 2l ∆x, откуда находим, что сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине l границы поверхностного слоя: где σ – поверхностное натяжение, характеризующее силу поверхностного натяжения, действующую на единицу длинны границы поверхности.

Единицу поверхностного натяжения – ньютон на метр (H/м).

Благодаря поверхностному натяжению воды на ее поверхности могут плавать легкие предметы и удерживаться водомерки .

В таблице 1 приведено поверхностное натяжение некоторых жидкостей, находящихся в контакте с воздухом.

Чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань.

Высокая проникающая способность мыльного раствора, позволяющая лучше очищать ткани, объясняется его малым поверхностным натяжением .

Смачивание, капиллярность.

Смачивание. Сферическая форма капли жидкости при соприкосновении с поверхностью твердого тела не сохраняется. Изменение формы капли зависит от свойств жидкости и от материала, из которого сделано твердое тело. На стекле капля воды растекается, а на поверхности парафина приобретает форму сплюснутого шара .

Зависимость формы капли от материала подложки объясняется различием силы взаимодействия между молекулами жидкости и сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела на границе раздела двух сред.

Если силы притяжения Fж – т между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости Fж, то жидкость смачивает поверхность

Например, вода смачивает стекло:

Fж – т > Fж.

Если силы притяжения между молекулами жидкости Fж больше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела Fж – т, то жидкость не смачивает поверхность.

Например, вода не смачивает парафин:

Fж – т < Fж.

Хорошее смачивание необходимо при нанесении красочных покрытий, обработке фотоматериалов, пайке, стирке. Использование веществ с минимальной смачиваемостью требуется для гидроизоляции (в частности, при изготовлении материалов для плащей, курток и зонтиков).

Смачивание твердых поверхностей жидкостью характеризуется мениском и углом смачивания.

Мениск – форма поверхности жидкости вблизи стенки сосуда. Мениск зависит от того, смачивает или не смачивает жидкость стенки сосуда.

Для смачивающей жидкости угол смачивания острый .

Для смачивающей жидкости угол смачивания тупой

Капиллярность. В достаточно широких сосудах короткодействующие силы напряжения между молекулами твердого тела и жидкости удерживают в виде мениска лишь незначительную часть жидкости в сосуде. Основная ее поверхность – горизонтальная в узких сосудах (капилляры) масса жидкости не велика, поэтому различие сил Fж – т и Fж приводит к капиллярности.

Рассмотрим поведение жидкости в капилляре, опущенном в жидкость .

В случае смачивающей жидкости силы притяжения Fж – т между молекулами жидкости и твердого тела (стенки капилляра) превосходят силы взаимодействия Fж между молекулами жидкости.

Жидкость втягивается внутрь капилляра. Подъему жидкость в капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила Fв, действующая на жидкость вверх, не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости высотой h:

Fв = mg.

Жидкость, не смачивающая стенки капилляра, опускается в нем на расстояние h .

По третьему закону Ньютона сила Fв , действующая на жидкость, равна силе поверхностного натяжения Fпов, действующей на стенку по линии соприкосновения ее с жидкостью:

Fв = Fпов.

Таким образом, при равновесии жидкости в капилляре

Fпов = mg.

При хорошем смачивании жидкостью стенок капилляра можно считать, что мениск имеет форму полусферы, радиус которой r равен радиусу капилляра. При этом длина контура, ограничивающего поверхность жидкости, равно длине окружности радиусом r: l = 2πr. Тогда сила поверхностного натяжения

Fпов = σ ∙ 2πr.

Найдем массу столба жидкости объемом V = πr2 h: m = ρV = ρπr2 h.

Подставляя выражения для силы поверхностного натяжения и массы в условии равновесия жидкости в капилляре, получаем формулу:

σ ∙ 2πr = ρπr2 hg, откуда высота подъема жидкости в капилляре h = 2 σ / ρgr.

Следовательно, высота подъема жидкости в капилляре зависит от свойства жидкости (ее поверхностного натяжения σ и плотности ρ).

Чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема жидкости в капилляре .

Например, лежащий на мокрой губке сухой кусок мела быстро намокает, в то время как сухая губка, лежащая на мокром куске мела остается сухой. Этот эффект объясняется тем, что капилляры у мела тоньше чем у губки.

Многочисленные капилляры, пронизывающие растительные и животные ткани, почву, играют важную роль в водоснабжении и обмене веществ растений и животных.

Механические свойства твердых тел

Виды деформации тел. Механические свойства твердых тел обусловлены их молекулярной структурой. Внешнее механическое воздействие на тело может приводить к изменению его формы и объема, т. е. к деформации.

Различают два вида деформаций – упругую и пластическую.

Упруго деформируются резина, сталь, человеческое тело, кости и сухожилия.

Пластичны свинец, алюминий, воск, пластилин, замазка, жевательная резинка.

Упругая деформация. Модуль Юнга. Рассмотрим упругую деформацию (растяжение) стержня, длина которого l0, а площадь поперечного сечения S, под действием внешней силы F .

Деформация стержня прекращается тогда, когда сила упругости становится равной внешней силе. Согласно закону Гука

Fупр = k∆l, где ∆l – абсолютное удлинение стержня.

Чтобы добиться аналогичного абсолютного удлинения ∆l стержня двойного сечения, требуется вдвое большая сила, поэтому для характеристики упругих свойств тела вводится механическое напряжение.

Механическое напряжение измеряется в паскалях (ПА).

Более удобной величиной, чем абсолютное удлинение, является относительное удлинение.

Относительное удлинение показывает, какую часть первоначальной длины l0 тела составляет его абсолютное удлинение.

Модуль Юнга измеряется в паскалях (Па).

В отличие от жесткости k, характеризующей только данный стержень, модуль упругости Е характеризует вещество, из которого он сделан

Закон Гука

При растяжении твердого тела силы упругости сжимают образец. Она возникает потому, что при увеличении межатомного расстояния по сравнению с равновесным атомы притягиваются друг к другу. Результирующая сила притяжения атомов после прекращения действия внешней силы сжимает образец до первоначальной длины.

Закон Гука справедлив лишь при малой деформации, т. е. при малом относительном удлинении ε.

Пластическая деформация. Предел прочности. Начиная с некоторого значения εmax деформация перестает быть упругой, становясь пластической.

Пластичные материалы – материалы, которые не разрушаются при напряжении, значительно превышающем предел упругости.

Благодаря пластичности алюминий, медь, сталь можно подвергать различной механической обработке: штамповке, ковке, изгибу, растяжению. При дальнейшем увеличении деформации материал разрушаются.

При сжатие стержня межатомные расстояния уменьшаются. Результирующая сила отталкивания атомов препятствуют сжатию. Более резкое возрастание сил отталкивания атомов (при сжатии образца) по сравнению с силами притяжения (при его расширении) объясняет различие приделов прочности при растяжении и сжатии, приведенных для рядов материалов

II. Исследование капиллярных свойств туалетной бумаги.

В настоящее время выпускается много видов туалетной бумаги: однослойная, двухслойная, гладкая, перфорированная, тисненая, цветная и т. д. Производители и продавцы рекламируют свой товар как только могут, в том числе и по телевизору. Но не всегда реклама соответствует действительности. Красивые эпитеты «легкая как перышко» или «нежная, словно бархат» ни о чем конкретно не говорят. Поэтому интересно было бы проверить качество туалетной бумаги в лабораторных экспериментах.

1. Как известно, смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, преодолевая силу тяжести, на высоту

, где - коэффициент поверхностного натяжения воды,

- плотность воды, g – ускорение свободного падения, d – диаметр капилляра.

Чем тоньше капилляр, тем высота поднятия больше. На высоту поднятия также влияют плотность жидкости и её коэффициент поверхностного натяжения. Важно, что если капилляр наклонен к поверхности жидкости, то высота поднятия жидкости от величины угла наклона не зависит.

Важным свойством туалетной бумаги является впитываемость, что говорит о среднем диаметре капилляров в ней. чем тоньше капилляры, тем на большую высоту (глубину) проникает в бумагу влага. так как бумага, в том числе туалетная, является продуктом промышленной переработки целлюлозы, то невозможно обеспечить строгое постоянство диаметров капилляров. Поэтому речь идет о среднем (или, как его еще называют, эффективном) диаметре.

В предстоящих опытах в качестве жидкости будем использовать обычную водопроводную воду (плотность по таблице 1000 кг/м3)

А вот коэффициент поверхностного натяжения для воды для каждой воды различен, так как температура и наличие примесей в воде влияет на коэффициент поверхностного натяжения, поэтому мы будем находить его по формуле, конкретно для нашей воды. Воду мы приготовили за 2 часа до начала эксперимента, поэтому температура воды во время всего эксперимента оставалась постоянной.

Формула для определения поверхностного натяжения воды:

, где h – высота поднятия жидкости в капилляре, d – диаметр капилляра, (смотри фото 2) g – ускорение свободного падения,

- плотность воды.

Вычисление

Теперь проводим опыты с туалетной бумагой. Отрезки бумаги, прикрепляем и горизонтальной линейки и прикрепляем к штативу. Длина подвешенных отрезков делаем такой, чтобы нижний конец касался стакана в водой и находился в воде примерно 20 см.

Как только концы туалетной бумаги окажутся в воде, вода сразу же начинает подниматься по капиллярам. Этот процесс может продолжаться 4-5 часов. Но туалетная бумага удобна тем, что вода поднимается сразу (за 15-20 мин) почти на максимальную высоту. Наш эксперимент длился 25 мин.

По истечению времени намокания бумаги необходимо измерить высоту h поднятия воды в каждом образце. Что мы и сделали.

Затем по формуле рассчитываем величину среднего диаметра капилляра для каждого образца.

Вычисление:

Образец №1

образец №2

образец №3

образец №4

Из теории мы знаем, что тем тоньше капилляр, тем лучше происходит впитываем ость, поэтому по данным проведенного опыта, получились следующие результаты.

Название Диаметр капилляра, мм Место

Zewa плюс (ароматная) 0,46 I

Сыктывкарская 0,7125 II

Киска 0,97 III

Краснотуринская 0,97 III

III Исследование механических свойств туалетной бумаги.

Переходим к механическим свойствам, которые тоже немаловажны. С одной стороны туалетная бумага должна быть в меру прочной, чтобы ее кусочки легко отрывались от рулона, но сама бумага не рвалась при использовании №по прямому назначению». К тому же бумага должна быть достаточно эластичной. Эластичности соответствует физическая характеристика модуль упругости (модуль Юнга), а прочности – предел прочности на растяжение. Впрочем, для упрощенной экспертизы достаточно измерения усилия на разрыв.

При исследовании прочности мы выбираем длину 12,5 см и ширину 15 мм.

Оказывается, что у некоторых сортов бумаги разная прочность у краев и в середине. Поэтому мы обрезаем образцы с края и середины.

С одного конца полоски делаем небольшой валик, к нему прикрепляем зажим для бумаги, а к одной из дужек цепляем крючок динамометра. Свободный конец бумажной полоски удерживаем пальцами. Одной рукой медленно тянем динамометр и измеряем прикладываемое усилие Fmax при разрыве.

Предел прочности на растяжение - это физическая величина, равная максимальному механическому напряжению, которое может выдержать материал без разрушения ( в данном случае без разрыва). А механическое напряжение равно отношению модуля силы упругости (или прикладываемой силы) к площади поперечного сечения:

S - площадь поперечного сечения, это есть произведение ширины бумаги ее толщину. Поэтому измерить ширину бумаги. Данные заносим в таблицу

Толщину измеряем следующим образом – сложим бумагу в несколько раз и измерим толщину штангенциркулем, а потом делим это значение на число слоев. Данные заносим в таблицу 4.

Данные опыта:

Образец №1

Толщина = 0,25 мм

Образец №2

Толщина = 0,125 мм

Образец №3

Толщина = 0,188 мм

Образец №4

Толщина 0,094 мм

Вычисляем площадь поперечного сечения, данные заносим в таблицу 4

Вычисляем предел прочности у краев бумаги.

Образец №1

= 0,33 105 Н/м2

Образец №2

= 2,01 105 Н/м2

Образец №3

= 1,73 105 Н/м2

Образец №4

= 2,37 105 Н/м2

Вычисляем предел прочности в середине.

Образец №1

= 0,286 105 Н/м2

Образец №2

= 2,296 105 Н/м2

Образец №3

= 1,55 105 Н/м2

Образец №4

= 2,37 105 Н/м2

Сопоставление результатов исследования механических свойств различных сортов туалетной бумаги показывает, следующие результаты.

Название Предел прочности, н/м2 Место

Сыктывкарская 2,37 105 Н/м2 I

Краснотуринская 2,296 105 Н/м2 II

Zewa плюс (ароматная) 1,55 105 Н/м2 III

Киска 0,286 105 Н/м2 IV

IV. Итог работы

Сопоставляя механические свойства с капиллярными, можно сделать окончательные выводы о качестве бумаги и сферах ее применения.

Место Место в 1 исследовании Место в 2 исследовании Название

I II I Сыктывкарская

II I III Zewa плюс (ароматная)

III III II Краснотуринская

IV III IV Киска

Несмотря на сильно различающиеся свойства, все испытанные образцы туалетной бумаги, согласно данным на упаковке, соответствуют ГОСТам на данный вид продукции. Так, что право выбора остается за потребителей: кому, что нравится!

Таблица 4

Таблица данных эксперимента

№ Название бумаги Число слоев

Рис. 4 Рис. 5 Рис. 6

Рис. 7 Рис. 8 Рис. 9

Рис. 10 Рис. 11

Таб. 1 Таб. 2 Таб. 3

Поверхностная энергия – дополнительная потенциальная энергия молекул поверхностного слоя жидкости.

Сила поверхностного натяжения – сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающего поверхность, в сторону ее сокращения.

Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам в нутрии жидкости.

Fпов = σ l,

Смачивание – искривление поверхности жидкости у поверхности твердого тела в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Угол смачивания – угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и стенкой

Капиллярность – явление подъема или опускания жидкости в капиллярах.

Деформация – изменение формы и размера твердого тола под действием внешних сил.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы

Пластическая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешних сил.

Механическое напряжение – физическая величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела:

σ = Fупр / S

Относительное удлинение равно отношению абсолютного удлинения тела к его первоначальной длине:

При упругой деформации тела механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела:

σ = Еε.

Предел упругости – максимальное напряжение в материале, при котором деформация еще является упругой.

Предел прочности – максимальное напряжение, возникающее в теле до его разрушения.