Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Твердые тела, как я уже сказал в начале главы, действуют как единое сплошное целое. Каждый фрагмент твердого объекта крепко сцепляется с любым другим его фрагментом; таким образом, если вы схватили один участок камня и поднимаете его, то поднимается целиком и весь камень. Это свойство фрагментов — сцепляться вместе — называется «когезией» (cohesion — от латинских слов, означающих «сцепляться»).

В жидкостях нет ничего подобного когезии твердых тел. Если вы опустите руку в воду, стараясь «зацепить» ее, надеясь на то, что вся жидкость поднимется из сосуда вслед за вашей рукой, вы только намочите пальцы — и все. Однако из этого нельзя заключить, что в жидкостях сила когезии полностью отсутствует. Эта сила в большинстве жидкостей намного меньше, чем в твердых телах, но она не равна нулю. Это наиболее четко можно увидеть, когда мы рассматриваем поверхность жидкости.

В теле жидкости, даже совсем рядом с ее поверхностью, данная часть жидкости связана силами сцепления с другими частями жидкости, которые окружают ее, одинаково во всех направлениях. В любом заданном направлении мы не можем обнаружить никакой суммарной неуравновешенной силы [40] В твердых телах различные частицы, составляющие их сущность, выровнены в установленных и организованных положениях (в то время как в жидкостях они перемещаются практически свободно). По этой причине силы сцепления между соседними частицами о твердых телах ориентированы в определенных направлениях и имеют очень значимую величину. . На поверхности же жидкости, однако, силы сцепления направлены только внутрь, в тело жидкости, и не направлены наружу, где никакой жидкости, чтобы вызвать к жизни силы сцепления, нет. (Наиболее часто с другой стороны поверхности жидкости находится только воздух, а силы притяжения между воздухом и жидкостью настолько малы, что их можно игнорировать.) Результирующая этой полусферы сил сцепления, построенной относительно частицы жидкости на поверхности, направлена внутрь жидкости и расположена перпендикулярно этой поверхности.

Чтобы дать возможность поверхности жидкости противостоять этой внутренней силе, требуется выполнить работу, поэтому поверхность представляет собой форму потенциальной энергии. Такая специфическая форма потенциальной энергии обычно называется «поверхностной энергией» [41] Это авторский термин. У нас принято название «свободная поверхностная энергия», или «свободная энергия пограничного слоя», или просто — «свободная энергия». (Примеч. пер.) .

Такая поверхностная энергия распределена по площади поверхности, таким образом, ее единицы измерения — работа на площади. В системе МКС это джоули на квадратный метр (Дж/м 2), а в системе СГС это будут эрги на квадратный сантиметр (эрг/см 2). В случае поверхностной энергии чаще используется система СГС, как более удобная. Один эрг равен 1 дин-см, или 1 г-см 2/с 2, так что 1 эрг/см 2равен 1 (г-см 2/с 2)см 2. Если мы сократим на одну из единиц измерения (сантиметры), то получим 1 (г-см/с 2)/см, или I дин/см; фактически наиболее часто пользуются последними из представленных единиц измерения поверхностной энергии — дин/см (дина на сантиметр).

Предоставленная самой себе поверхностная энергия приходит к минимуму способом, аналогичным тому, как гравитационная потенциальная энергия приходит к минимуму всякий раз, когда шар, находящийся высоко в воздухе, падает на землю или когда водяной столб снижается и растекается, если целостность сосуда с жидкостью нарушена. Небольшое количество жидкости, когда оно находится во взвешенном состоянии, в воздухе, приобретает форму сферы; поскольку сфера обладает для данного объема самой маленькой площадью поверхности, то поверхностная энергия тоже становится минимальной. Такая сфера из жидкости, однако, искажается в «неправильный» объект неуравновешенным нисходящим напряжением силы тяжести. Если она падает в воздухе, как это делает, например, дождевая капля, то ее основание будет сплющено благодаря восходящей силе сопротивления воздуха. Чем меньше капелька жидкости, тем в меньшей степени воздействуют на нее относительные эффекты силы тяжести и сопротивления воздуха, и она становится все более сферической. Мыльные пузыри — полые, жидкие структуры, которые являются настолько легкими для их объема (из-за находящегося в них воздуха), что силы тяжести (необычно низкая в этом случае) и сопротивления воздуха (необычно высокая в этом случае) компенсируют друг друга. Мыльные пузыри поэтому дрейфуют по воздуху относительно медленно и имеют практически точную сферическую форму.