Очевидное и невероятное при взаимодействии стекла и воды

Мир вокруг нас материален и проявляется в четырёх типах взаимодействия: гравитационном, электромагнитном, слабом (взаимодействии элементарных частиц) и сильном (ядерном).

Электромагнитное взаимодействие занимает первое место по разнообразию проявлений: это силы трения, упругости, силы мышц человека и животного. Электромагнитное взаимодействие позволяет нам видеть книгу, читать, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. При наложении полей от нескольких зарядов интересным фактом является то, что эти поля не оказывают никакого влияния друг на друга , подчиняясь интересному принципу суперпозиции: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, напряженности которых равны Е 1 , Е2 , Е3 и т. д. , то результирующая напряжённость поля в этой точке будет равна их векторной сумме

И при распространении световых лучей тоже выполняется необычный закон независимости световых лучей: если световые лучи пересекаются, то они не возмущают друг друга, то есть не мешают друг другу распространяться в прежнем направлении

§ 1. Свободная поверхность жидкости и поверхностное натяжение

Жидкость, так же как и твёрдые тела, обладают большой объёмной упругостью, то - есть сопротивляются изменению своего объёма. Но, как и газы, не обладают упругостью формы. Поэтому, жидкость, налитая в сосуд, занимает его форму. Действие силы тяжести прижимает жидкость ко дну сосуда, а свободная поверхность жидкости устанавливается горизонтально. Это известно любому школьнику, изучающему физику.

Если же сравнить молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, с молекулами, находящимися внутри её, мысленно заглянуть вовнутрь жидкости, то можно узнать много интересного об этом веществе.

Известно, что молекула, находящаяся внутри жидкости, взаимодействует с 12-тью соседними молекулами, и её потенциальная энергия равна 12Umin. Молекула поверхностного слоя окружена уже только 6-тью соседними молекулами, и её энергия взаимодействия равна 6Umin и выше, чем потенциальная энергия молекулы внутри жидкости, так как Umin < 0.

Поэтому, как тело в поле силы тяготения стремится занять наинизшее положение с наименьшей потенциальной энергией (если ему в этом не препятствуют другие силы), так и молекулы, находящиеся на свободной поверхности жидкости, будут стремиться перейти внутрь её объёма. Так как число молекул на поверхности жидкости пропорционально величине свободной поверхности, то стремление молекул поверхности втянуться вовнутрь жидкости означает, другими словами, стремление сократить свободную поверхность.

Таким образом, можно сделать вывод: жидкость под действием внутренних сил стремится уменьшить свою свободную поверхность, если ей в этом не препятствуют какие-либо силы.

Внутри поверхностного слоя действуют сила поверхностного натяжения, которую можно обнаружить с помощью проволочного каркаса. Эта сила направлена касательно к поверхности жидкости и перпендикулярна к контуру, который ограничивает поверхность жидкости и может быть вычислена по формуле:

F = α2l, где α – коэффициент поверхностного натяжения, [ Дж/м2 ], l - длина контура, [м ] .

Вывод: особые свойства поверхностного слоя жидкости и действие в нём сил поверхностного натяжения обусловливают целый ряд своеобразных явлений.

§ 2. Расклинивающее давление жидкости

Если осторожно положить на поверхность жидкости стальную иголку или лезвие, то под действием их веса поверхность в этом месте «прогнётся». При этом площадь свободной поверхности увеличится, и силы поверхностного натяжения не дадут телу опускаться дальше.

Если внутри каркаса прикреплена нить, свободно лежащая на поверхности плёнки, то, после того, как проткнуть нижнюю половинку плёнки, оставшаяся верхняя её половинка будет стремиться сжаться и натянет при этом нить.

Ещё более интересные явления наблюдаются на тонких плёнках, толщину которых можно менять. Определение энергии молекул жидкости при различных значениях толщины плёнки жидкости выявили следующую зависимость: уменьшение энергии молекул возможно за счёт увеличения толщины плёнки. Стремление к увеличению толщины плёнки выражается в появлении добавочного давления в плёнке. Это избыточное давление было обнаружено и изучено Б. В. Дерягиным и названо расклинивающим давлением.

В 1935 году совместно с Е. В. Обуховым он провёл эксперименты с двумя плотно сложенными пластинками слюды, помещёнными в контейнер с водой. Обнаружилось, что вода, проникая в щель между пластинами, с определённой силой раздвигала их на некоторое расстояние. Эту силу Дерябин и назвал расклинивающим давлением.

Был ещё проведён эксперимент со слюдой. От неё наполовину отщеплялся один листок, а в раскол вводилось несколько капель воды. И под её действием расщепление продолжалось уже самопроизвольно.

Затем было определено расклинивающее действие свободных плёнок растворов поверхностно - активных веществ при сдавливании их газовыми пузырьками.

И лишь в 1986 году было дано объяснение этим экспериментам. По мнению Дерягина Б. В. , расклинивающее давление возникает в момент перекрытия двух поверхностных зон жидкости, когда сближаются две поверхности каких-либо фаз (агрегатных состояний, по-другому) – твёрдых, жидких или газообразных.

На этом основании они объясняли действием расклинивающего давления понижение прочности твёрдых тел при соприкосновении с поверхностно-активными веществами .

По-видимому, это расклинивающее давление играет существенную роль в открытом П. А. Ребиндером эффекте облегчения деформирования и механического разрушения твёрдых тел при воздействии растворов - понизителей твёрдости

Аналогичные пояснения о расклинивающем давлении даны в БСЭ (Большой Советской Энциклопедии)

Расклинивающее давление, термодинамический параметр, характеризующий состояние тонкого слоя (плёнки) жидкости или газа в промежутке между поверхностями тел. В условиях равновесия системы Расклинивающее давление П = P2 — P1, где P2 — нормальное давление на плёнку со стороны разделённых ею тел, a P1 — давление в объёме жидкости (газа), из которой образовалась плёнка (см. рис. ). Если Расклинивающее давление имеет положительное значение (П > 0), то плёнка устойчива, если отрицательное (П < 0), — плёнка самопроизвольно утончается вплоть до прорыва. Расклинивающее давление впервые обнаружено советскими учёными Б. В. Дерягиным и Е. В. Обуховым (1934). Оно возникает при взаимном перекрытии 2 поверхностных слоев и обусловлено совокупным действием сил различной природы. Так, составляющими Расклинивающее давление могут быть электростатические силы, силы «упругого» сопротивления сольватных (или адсорбционно-сольватных) слоев, силы межмолекулярного взаимодействия. Расклинивающее давление зависит от толщины плёнки, состава и свойств взаимодействующих фаз (тел) и температуры. Учение о Расклинивающее давление положено в основу теории устойчивости гидрофобных коллоидов Дерягина — Ландау — Фервея — Овербека (сокращённо — теория ДЛФО), объясняет многие поверхностные явления. Преодоление положительного Расклинивающее давление, препятствующего утончению плёнки под действием внешних сил, приводит к слипанию или слиянию соприкасающихся тел. В случае коллоидных систем это означает коагуляцию или коалесценцию частиц дисперсной фазы. Расклинивающее давление оказывает решающее влияние на эффективность таких важных в практическом отношении процессов, как набухание и пептизация глинистых минералов, стабилизация пен, флотация, пропитка, склеивание.

Вывод: знания о расклинивающем давлении и поверхностном натяжении жидкости используется в объяснении результатов опытов, которые проводились по разрезанию стекла под водой.

§ 3. Опыты по разрезанию стекла под водой

Просмотрев в интернете видео о разрезании стекла под водой, прочитав высказывания о том, что это-неправда, решили сами попробовать. Каково же было наше удивление, когда удалось убедиться в возможности этого явления.

Проведение описанных экспериментов требует выполнения техники безопасности ( лучше проводить их в перчатках, под большим слоём воды - например, в домашних условиях – в аквариуме, или в ванне). В школе проводились испытания в раковине, наполненной водой по - максимуму.

Опыт 1. Разрезание предметного химического стекла обычными ножницами. Вывод: Получилось, но эффект - не очень.

Опыт 2. Разрезание под водой оконного стекла портняжными ножницами.

Вывод: Здорово! Получилось! Стекло сначала не поддавалось ножницам, а затем ножницы стали входить в стекло и отрезался достаточно большой кусок (снимок 1. )

Опыт 3. Разрезание стекла в 3 раза толще, чем оконное.

Вывод: стекло разрезалось, но потребовалось большее усилие. Стали задумываться о справедливости влияния температуры жидкости на расклинивающее давлении, об этом прочитали в статье (4) (снимок 3).

Заключение

Опыты, проведённые по разрезанию стекла под водой, помогли ещё раз убедиться в том, что лучший способ доказательства истины – практика. Даже те, кто верил учителю, и слушал его рассказы об этом чисто из уважения к старшему, проведя самостоятельно эти опыты, сделали утвердительные выводы: стекло влияет на свойства твёрдого состояния – уменьшает прочность стекла.

Поставленная гипотеза доказана.

Проведение этого исследования заинтересовало окружающих нас школьников. Они сами пробовали в присутствии учителя разрезать стекло под водой.

И каково было их удивление от того, что у них тоже это получалось!

Мы считаем, что подобные исследования повышают интерес к физике, превращают сухие теоретические доказательства в эмоциональное восприятие учебного материала, учат нас в очевидном видеть невероятное!

Расклинивающее давление было открыто Б. В. Дерягиным при проведении экспериментов совместно с Е. В. Обуховым (Дерягин и др. , 1935). Эксперименты проводились с двумя плотно сложенными пластинками слюды, помещенными в контейнер с водой. Обнаружилось, что вода, проникая в щель между пластинами, с определенной силой раздвигала их на некоторое расстояние, зависящее от величины сдавливания этих пластинок слюды. Эта сила названа "расклинивающим давлением".

В последующих экспериментах Б. В. Дерягина совместно с М. Кусаковым (Дерягин и др. , 1936, 1937) определили усилие, также названное расклинивающим давлением, которому способен сопротивляться поверхностный слой жидкости, придавленный газовым пузырьком к твердой поверхности.

Определено, что это усилие определяется по формуле, где r - радиус пузырька, поверхностное натяжение.

Другими словами, величина расклинивающего давления сопоставима с величиной поверхностного натяжения. Был проведен еще эксперимент со слюдой. От нее наполовину отщеплялся один листок, в раскол вводилось несколько капель воды и под ее воздействием расщепление продолжалось уже самопроизвольно.

Иначе говоря, расклинивающее давление поверхностной пленки воды раздвигало пластинки слюды. Затем было определено расклинивающее действие свободных пленок растворов поверхностно-активных веществ при сдавливании их между двумя газовыми пузырьками.

На этом основании они объясняли действием расклинивающего давления понижение прочности твердых тел под действием поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера), устойчивость от слипания и коагуляции дисперсных частиц в золях и коллоидах, набухание порошков, глин и т. д. Б. В. Дерягиным (1986) разработана теория устойчивости коллоидов и тонких пленок, где объясняется возникновение расклинивающего давления. По его мнению, оно возникает в момент перекрытия двух поверхностных зон жидкостей, когда сближаются две поверхности каких-либо фаз (твердых, жидких или газообразных), между которыми заключена эта жидкость. Он рассматривает несколько слагающих расклинивающего давления, зависящих от эффектов перекрытия зон поверхностных сил различной природы.

Это в основном четыре слагающие: структурная, обусловленная ориентировкой диполей воды вблизи поверхности фаз, электростатическая, связанная с электростатическими силами притяжения-отталкивания сближающихся заряженных поверхностей, дисперсионная и адсорбционная, обусловленные дисперсионными молекулярными силами притяжения.

Если обратить внимание на проведенные Дерягиным эксперименты, то можно заметить, что наиболее достоверные количественные результаты были получены при придавливании поверхностного слоя жидкости газовым пузырьком к твердой поверхности или между двумя газовыми пузырьками.

Показано, что расклинивающее давление по величине сопоставимо с поверхностным натяжением, и это понятно, так как при этом сдавливание ведет, по существу, к растяжению пленки по касательной. Если сжимать два воздушных шарика, то все сжатие трансформируется в усиление растяжения резиновой оболочки шариков и их разрыв.

Вполне резонно распространить это представление и на устойчивость дисперсных систем, так как там главным фактором стабильности во взвешенном состоянии частиц золей, гелей, ликвационных капелек жидкости является свойство раздавливания и разрыва той пленки жидкости, которая разделяет эти частицы при их сближении и соударении.

Эта сфера деятельности расклинивающего давления сейчас общепризнана. В частности, Я. И. Френкель, полностью соглашаясь с ней, отмечал, что явление расклинивающего давления было показано Д. Л. Талмудом и С. Е. Бреслером еще в 1934 г. ; они заметили, что две капли ртути, погруженные в расплавленный парафин, не сливаются, как в обычных условиях, но остаются разделенными тончайшей пленкой жидкости. Однако понятие о расклинивающем давлении и его величине этими исследователями даны не были.

Следует отметить, что это явление легко заметно на самом простом примере: обычная тарелка с супом, на поверхности которого плавают кружочки жира.

Видно, что эти кружочки при столкновении не сливаются друг с другом, а продолжают контактировать через тончайшую пленку воды. Чтобы эти кружочки слились, надо их подтолкнуть навстречу друг другу двумя ложками. Это усилие и есть расклинивающее давление Дерягина. Так его и следует понимать, хотя сам термин "расклинивающее давление" не совсем точен.

Гораздо меньшую определенность имеют исследования Дерягина, посвященные собственно расклинивающему действию поверхностного слоя при проникновении воды в микропоры, щели и трещины в твердых веществах, проявляющемуся при набухании глин, коллоидов, увеличении трещиноватости в горных породах и т. д.

В самом первом эксперименте по определению расклинивающего давления между поверхностями двух слюдяных пластинок он определял не общую силу, с которой вода раздвигает эти пластинки, а только изменение толщины прослойки воды при ее сдавливании под определенной нагрузкой. Максимально в эксперименте это была нагрузка в 192 г/см2.

При такой нагрузке не достигалось выдавливания прослойки воды в целом из щели между пластинками, т. е. поверхностный слой не разрывался так, как это происходило при его придавливании газовым пузырьком к твердой поверхности.

Причем Б. В. Дерягин отмечает, что, повидимому, полное выдавливание жидкости может происходить только при огромных давлениях.

Также не количественно, а только качественно им иллюстрировалось расклинивающее давление на примере отщепляющейся пластинки слюды при введении в место раскола воды. По существу можно сказать, что основная часть этого давления, как способного что-то расклинивать, т. е. раздвигать стенки трещин (из-за чего и было ему дано соответствующее название), Б. В. Дерягиным не исследована экспериментально на количественной основе.

В теоретическом плане он анализирует только вариант сближающихся плоскостей и утоньшения заключенной между ними прослойки жидкости и перекрытия поверхностных слоев, но не анализирует, как возникает давление, заставляющие плоскости раздвигаться.

Однако если проанализировать именно этот вариант раздвигания под действием давления микротрещин в твердых породах, то можно прийти к выводу, что расклинивающее давление, в соответствии с теми свойствами поверхностного слоя воды, о которых говорит Б. В. Дерягин, не способно само что-либо расклинивать.

Если в вышеотмеченном эксперименте отщепить пластинку слюды и в место раскола ввести несколько капель воды, то вода действительно будет способствовать дальнейшему расклиниванию и продолжению отщепления пластинки.

Но за счет чего это происходит? Вода проникает в острие трещины, и совершенно очевидно, что она раздвигает стенки трещины и увеличивает объем щели в ширину и в глубину.

Главное и единственное свойство жидкости, которое только и способно увеличить трещину, - это силовое увеличение объема жидкости при соприкосновении ее со стенками в период проникновения в острие трещины.

Но это может происходить только при разуплотнении жидкости, т. е. как бы вскипании в этот момент. Б. В. Дерягин нигде не упоминает об разуплотненном состоянии поверхностного слоя жидкости, а, наоборот, отмечает его большую плотность по сравнению с объемной водой.

Приложение 3

Значение слова "Расклинивающее давление" в Большой Советской Энциклопедии

Расклинивающее давление, термодинамический параметр, характеризующий состояние тонкого слоя (плёнки) жидкости или газа в промежутке между поверхностями тел. В условиях равновесия системы Расклинивающее давление П = P2 — P1, где P2 — нормальное давление на плёнку со стороны разделённых ею тел, a P1 — давление в объёме жидкости (газа), из которой образовалась плёнка (см. рис. ). Если Расклинивающее давление имеет положительное значение (П > 0), то плёнка устойчива, если отрицательное (П < 0), — плёнка самопроизвольно утончается вплоть до прорыва. Расклинивающее давление впервые обнаружено советскими учёными Б. В. Дерягиным и Е. В. Обуховым (1934). Оно возникает при взаимном перекрытии 2 поверхностных слоев и обусловлено совокупным действием сил различной природы. Так, составляющими Расклинивающее давление могут быть электростатические силы, силы «упругого» сопротивления сольватных (или адсорбционно-сольватных) слоев, силы межмолекулярного взаимодействия. Расклинивающее давление зависит от толщины плёнки, состава и свойств взаимодействующих фаз (тел) и температуры. Учение о Расклинивающее давление положено в основу теории устойчивости гидрофобных коллоидов Дерягина — Ландау — Фервея — Овербека (сокращённо — теория ДЛФО), объясняет многие поверхностные явления. Преодоление положительного Расклинивающее давление, препятствующего утончению плёнки под действием внешних сил, приводит к слипанию или слиянию соприкасающихся тел. В случае коллоидных систем это означает коагуляцию или коалесценцию частиц дисперсной фазы. Расклинивающее давление оказывает решающее влияние на эффективность таких важных в практическом отношении процессов, как набухание и пептизация глинистых минералов, стабилизация пен, флотация, пропитка, склеивание.