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

Значительное количество жидкости склонно к равномерному сглаживанию. Потребность в уменьшении гравитационной потенциальной энергии стоит выше потребности в уменьшении поверхностной потенциальной энергии; поэтому поверхность стоящего в покое ведра воды (или водоема с водой) кажется нам плоскостью. Фактически же это — сегмент сферы, но большой сферы, такой, которая имеет радиус, равный радиусу Земли. Посмотрите, как расположен Тихий океан на глобусе Земли, и вы увидите, что его поверхность почти сформировала полусферу.

Если энергия в любой форме добавляется к жидкостям, то некоторые из них умеют хорошо увеличивать поверхностную энергию, расширяя площадь своей поверхности за пределы ее минимума. Таким образом, ветер заставляет поверхность океана или озера стать неровной и поэтому увеличиться в площади. Поверхность в стакане воды будет пениться, если стакан взболтать.

Поскольку поверхность жидкости «растягивается» в большую, когда осуществляется такой ввод энергии, и потому, что она отступает к минимуму, когда ввод энергии прекращается, можно провести безошибочную аналогию между поверхностью жидкости и упругой оболочкой под растяжением (например, очень тонкая пленка из натянутой резины). Поэтому о поверхностных эффектах часто говорят как об эффектах, скорее вызванных «поверхностным натяжением», чем поверхностной энергией.

Те же самые силы сцепления, которые действуют, удерживая отдельные части жидкости через поверхностное натяжение, также удерживают части жидкости в контакте с частями соседствующего твердого тела. В этом, последнем, случае, когда сила притяжения скорее существует между твердым телом и жидкостью (не так, как между частицами), чем между частями жидкости (подобно частицам), такое явление называется «адгезией» (название это также, подобно когезии, происходит от латинских слов, означающих «сцепляться»). Силы прилипания (адгезии) могут быть столь же большими, как силы сцепления (когезии), или даже большими. В частности, адгезия воды к чистому стеклу — больше, чем когезия воды к самой себе.

Это вызывает эффект формы поверхности жидкости (воды) в стеклянном сосуде. В тех местах, где вода соприкасается со стеклом, притяжение воды к стеклу — достаточно большое, чтобы преодолеть силы сцепления воды. В результате поверхность воды повышается, чтобы в максимально возможной степени увеличить контакт на границе вода — стекло (или так называемую поверхность раздела) за счет более слабых «межводных» сил сцепления. Если бы не имелось никаких противодействующих сил, то вода бы повысилась до края сосуда и далее. Однако ей противодействует сила тяжести. Таким образом, существует некоторая точка, где вес поднятой воды, добавленный к силам сцепления воды, уравнивает восходящее натяжение «липких» сил, и эта точка равновесия достигается вскоре после того, как уровень жидкости поднимется на очень небольшой градус.

Если сосуд достаточно широк, то этот изгиб поверхности вверх ограничен только окрестностями водно-стеклянного контакта. Водная же поверхность в середине остается плоской. Когда же сосуд относительно узкий, поверхность жидкости целиком находится в области водно-стеклянного контакта; в этом случае поверхность жидкости не имеет плоских участков, вместо этого она формирует полусферу, прогнутую в центре трубки к ее нижней части. При взгляде со стороны поверхность походит на полумесяц, и поэтому это явление называется «мениском» (meniscus — от греческого слова, означающего «маленькая луна»).

Силы сцепления во многих случаях также могут быть значительно больше, чем силы прилипания. Например, силы сцепления в жидкой ртути намного больше, чем у воды; они также больше, чем силы прилипания между ртутью и стеклом. Если мы посмотрим на ртуть, находящуюся в стеклянной трубке, то увидим, что на поверхности раздела, где ртуть встречается со стеклом, ртуть отталкивается от стекла, уменьшая ртутно-стеклянную поверхность раздела. Ртутный мениск в такой трубке прогибается вниз по границе со стеклом и достигает максимальной высоты в центре трубки. Тот же самый эффект наблюдается даже для воды, если стеклянный сосуд имеет восковое покрытие, так как силы прилипания между водой и воском — меньше, чем внутренние силы сцепления в воде.

Если мы нальем воду на плоскую стеклянную поверхность, то она распространится в разные стороны, превратившись в тонкую пленку, чтобы создать наибольший возможный контакт, увеличивая полную силу прилипания за счет более слабой силы сцепления. Вода, другими словами, смачивает стекло. Однако когда мы нальем на поверхность стекла ртуть (или воду на вощеную поверхность), то она старается уменьшить контакт со стеклом, насколько это возможно, приобретая форму маленьких искривленных тяжестью сфер и увеличивая полную силу сцепления за счет более слабой силы прилипания. Ртуть не смачивает стекло, а вода не смачивает воск. Все эти явления являются результатом минимизации величины полной поверхностной энергии (энергии на границе жидкость/воздух плюс то же самое, но на жидкой/твердой поверхности раздела).