Folyadék felszíne: miért úszik a borotvapenge és mikor süllyed el?

A szabad folyadékfelszín viselkedését egyenletes körmozgás esetén vizsgáljuk. A nyugvó folyadék szabad (az edénnyel nem érintkező) felszíne mindenütt merőleges a külső erők eredőjére. Ha egy folyadékot tartalmazó hengeres edényt függőleges tengelye körül szögsebességgel forgatunk, akkor a folyadék felszíne felülről nézve homorú forgásfelület lesz. A folyadék az azonos tengely körül szögsebességgel forgó koordinátarendszerben nyugalomban van. Ebben a rendszerben a felszínen lévő tömegű folyadékrészre kétféle erő hat: az nagyságú, függőleges irányú nehézségi erő, valamint a forgó rendszerben fellépő tehetetlenségi erők.

Felületi feszültség és kohézió: alapok

Minél erősebb kölcsönhatás van egy folyadék molekulái között, annál nagyobb a felületi feszültsége. A borotvapenge azért úszik a vízen, mert a víznek nagy a felületi feszültsége, molekulái között erős kölcsönhatás van. A dipólus vízmolekulák között dipól-dipól kölcsönhatás érvényesül, továbbá hidrogénkötések is kialakulnak, vagyis jelentősek a másodrendű kötőerők, ezért erős kölcsönhatás működik. Ezzel szemben a benzin és az aceton apoláris molekulái között csak nagyon gyenge (diszperziós) kölcsönhatás van.

A kísérleti megfigyelések rövid leírása

A következő kísérletek szolgálnak látványos igazolásul a felületi feszültség és felületaktív anyagok hatására:

• Állítsuk sorba a 3 kristályosító csészét, az elsőbe töltsünk kb. 5 cm magasságig vizet, a másodikba acetont, a harmadikba benzint. Mindhárom folyadék felületére óvatosan helyezzünk el egy-egy borotvapengét. Jegyezzük fel, mit tapasztalunk. Tapasztalat: a borotvapenge a víz felszínén fennmarad, az acetonban és a benzinben elsüllyed.
• Egy kristályosító tálba öntsünk vizet, szórjuk be a felületét őrölt borssal (vagy hintőporral). A fültisztító pálcika végét mártsuk folyékony mosogatószerbe, és ezzel érintsük meg a borsréteg közepét. Tapasztalat: mosogatószer hatására az őrölt bors foltja szétszalad az edény széle felé.
• Helyezzünk el a víz felszínén 2 fogvájót egymással párhuzamosan, kb. 3 cm távolságban. Mártsuk a fültisztítót folyékony mosogatószerbe, és finoman érintsük meg a vizet a két fogvájó között. Tapasztalat: mosogatószer hatására a két párhuzamos fogvájó eltávolodik egymástól.
• Vágjunk ki papírból egy csónakformát, amelynek a hátsó felén bevágás van. Tegyük a vízre, majd érintsük a víz felszínét a csónak hátsó bevágásánál mosogatószerrel. Tapasztalat: a csónak elindul és úszik előre.
• Rajzoljunk különböző vastagságú papírokra virágot, vágjuk ki, hajtogassuk be a szirmokat, majd helyezzük a víz felszínére a virágokat. Tapasztalat: a virágok "kinyílnak" a vízen, leggyorsabban a szűrőpapírból készített.

Magyarázat a kísérletekhez

A mosogatószer lecsökkenti a vízmolekulák közötti kölcsönhatást, így csökken a felületi feszültség is. A szerves kémiában szó esik a mosogatószerek amfipatikus molekuláiról is. A mosogatószer hatására az őrölt bors szétszalad, a fogvájak eltávolodnak, a csónak elmozdul: mindez a felületi feszültség helyi csökkenésével magyarázható. A papír esetén a papírban láthatatlan csövecskék vannak, ide behatol a víz, és a szirmok kimerevednek, "kinyílnak", majd lehajlanak.

Folyadékfelszín természete forgó rendszerben

A folyadékfelszín mindenhol a két erő eredőjére merőleges helyzetet vesz fel. Esetünkben az utóbbiak közül csak az nagyságú, a forgástengelyre merőleges, és attól sugárirányban elfelé mutató centrifugális erő játszik szerepet (a folyadékrésznek a forgástengelytől mért távolsága). A kialakuló felület egy forgási paraboloid. A kifejezés egy parabola egyenlete, ahol a integrálási állandó értéke a parabola csúcspontjának ordinátája.

Miért marad fenn a nehezebb tárgy a felületen?

A víz felszínére ügyesen ráhelyezett borotvapenge, pénzdarab nem merül el, pedig sűrűségük lényegesen nagyobb a víz sűrűségénél. Az is megfigyelhető, hogy a víz felszíne a testek súlya alatt hártyaszerűen behorpad. A folyadékfelszín átszakításához a kohéziós erők ellenében sok energia kell. A folyadékhártya felszínének a lehető legkisebbre való összehúzódása energetikailag értelmezhető: stabil egyensúlyi helyzetben a helyzeti (felületi) energia a lehető legkisebb értéket veszi fel.

Kapcsolódó hidrosztatika: nyomás, felhajtóerő, Pascal-elv

A felületegységen mutatkozó nyomóerőt a fizikusok nyomásnak nevezik. A nyomás a folyadékban mindenütt egyenletesen terjed el. A hidrosztatikai nyomás független a folyadéktartó edény alakjától, és csak a folyadékoszlop magasságától, illetőleg a felszíntől számított mélységtől függ. ARCHIMEDES törvénye szerint a folyadékba merülő test annyival kisebb súlyú, amennyi az általa kiszorított folyadék súlya. A felhajtóerő hatására a test részben vagy teljesen felúszik, ha a felhajtóerő elegendő.

Egyszerű kísérletek és következtetések (összegzésként használható megfigyelések)

1. Ha mosogatószert cseppentünk a víz felszínére, a felületi feszültség csökken, és a felületre helyezett apró úszó testek távolodni kezdenek, vagy elmozdulnak a feszültséggradiens irányába (pl. csónak elindul).
2. A borotvapenge úszása azt mutatja, hogy a felszíni kohézió képes mechanikai tartást adni a nehezebb testnek, amíg a felszínt nem törjük át.
3. A nem nedvesítő folyadékoknál (pl. higany) a felszín formája és a kapilláris viselkedés eltér a víztől: domború felület és süllyedés a hajszálcsőben.

Biztonsági és gyakorlati megjegyzések

A benzin és az aceton tűzveszélyes folyadék, ne legyen égő láng a közelben. A kísérletek végrehajtásakor ügyeljünk a vegyszerek megfelelő kezelési és hulladékkezelési szabályaira.

Részletes összefüggések és további fogalmak

• A folyadékokra egyaránt hathatnak térfogati és felületi erők. Felületi erő az edény fala által kifejtett kényszererő. Térfogati erő pl. a gravitációs erő.
• Ha a folyadék gyorsul, akkor a vele együtt mozgó vonatkoztatási rendszerben fellépő tehetetlenségi erők is térfogati erők.
• A folyadék szabad felszíne merőleges a folyadékra ható térfogati erőkre; ha ez nem lenne így, a térfogati erőnek a felülettel párhuzamos komponense lenne.
• Hajszálcsövesség: a folyadék felszívódása kapillárisokban a nedvesítő és nem nedvesítő tulajdonságok eredménye. Ennek megfigyelése fontos a növények vízfelvételében, talajnedvességben és hétköznapi jelenségekben.

Ajánlott kísérleti elrendezés a borotvapenge vizsgálatához

Állítsunk egy kis tálba vizet, óvatosan helyezzünk a felszínre egy borotvapengét úgy, hogy a felületet ne szúrjuk át. Jegyezzük meg a penge helyzetét. Ezután érintsük a felszínt mosogatószerrel egy ponton, és figyeljük meg a penge viselkedését. Ismételjük meg a kísérletet gyúlékony oldószerekkel (acetonnal, benzinnel) biztonságos körülmények között, és jegyezzük meg, hogy ott a penge elsüllyed.

Adható táblázatos összefoglaló (kísérleti eredmények)

tags: #folyadek #felszine #borotvapenge #elsullyed