Фізика для школярів та студентів

Рідина – агрегатний стан речовини, що займає проміжне положення між його твердим і газоподібним станами.

Найпоширеніша рідина на Землі – вода. Її твердий стан – лід, а газоподібний – пара.

У рідинах молекули розташовані майже впритул одна до одної. Вони володіють більшою свободою, ніж молекули твердої речовини, хоча повністю вільно пересуватися не можуть. Тяжіння між ними хоч і слабше, ніж у твердих тілах, але все-таки його достатньо, щоб молекули утримувалися на близькій відстані одна від одної. Кожна молекула рідини може коливатися біля якогось центру рівноваги. Але під дією зовнішньої сили молекули можуть перескакувати на вільне місце в напрямку прикладеної сили. Цим пояснюється текучість рідини.

Текучість рідини

Основна фізична властивість рідини – текучість. Коли до рідини прикладається зовнішня сила, в ній виникає потік частинок, напрямок якого збігається з напрямком цієї сили. Нахиливши чайник з водою, ми побачимо, як вода потече з його носика вниз під дією сили тяжіння. Точно так само витікає вода з лійки, коли ми поливаємо рослини в саду. Подібне явище ми спостерігаємо в водоспадах.

Внаслідок плинності рідина здатна змінювати форму за малий час під дією навіть невеликої сили. Всі рідини можуть литися струменем, розбризкуватися краплями. Їх легко перелити з однієї посудини в іншу. При цьому вони не зберігають форму, а приймають форму посудини, в якому знаходяться. Цю властивість рідини використовують, наприклад, при литті металевих деталей. Рідкий розплавлений метал розливають у форми певної конфігурації. Остигаючи, він перетворюється на тверде тіло, зберігає цю конфігурацію.

Плинність збільшується з ростом температури рідини і зменшується при її зниженні. Це пояснюється тим, що з підвищенням температури відстань між частинками рідини також збільшується, і вони стають більш рухливими. Залежить текучість і від структури молекул. Чим складніше їх форма, тим меншою має плинністю рідина.

В’язкість рідини

Різні рідини мають різну тікучість. Так, вода з пляшки випливає швидше, ніж рослинна олія. Мед з склянки виливається повільніше, ніж молоко. На ці рідини діють однакові сили тяжіння. Так чому ж їх плинність відрізняється? Вся справа в тому, що вони володіють різною в’язкістю. Чим вище в’язкість рідини, тим менше її тікучість.

Що ж таке в’язкість, і яка її природа? В’язкість також називають внутрішнім тертям. Це здатність рідини чинити опір переміщенню різних шарів рідини відносно один одного. Молекули, що знаходяться в одному з шарів і стикаються між собою під час теплового руху, стикаються ще й з молекулами сусідніх шарів. Виникають сили, які гальмують їх рух. Вони спрямовані в бік, протилежний руху розглянутого шару.

В’язкість – важлива характеристика рідин. Її враховують у різних технологічних процесах, наприклад, коли по трубопроводах необхідно перекачувати рідину.

В’язкість рідини вимірюють з допомогою приладу, званого віскозиметром. Найпростішим вважається капілярний віскозиметр. Принцип його дії не складний. Підраховується час, за який заданий об’єм рідини, що протікає через тонку трубочку (капіляр) під впливом різниці тисків на його кінцях. Так як відомі діаметр і довжина капіляра, різниця тисків, то можна зробити розрахунки на підставі закону Пуазейля, згідно з яким об’єм рідини (секундна об’ємна витрата) що проходить в секунду прямо пропорційна перепаду тиску на одиницю довжини труби і четвертого ступеня її радіуса і обернено пропорційний коефіцієнту в’язкості рідини.

де Q – секундна витрата рідини, м³/с;
р₁ – р₂ = ∆р – перепад тисків на кінцях капіляра, Па;
R – радіус капіляра, м;
d – діаметр капіляра, м;
ƞ – коефіцієнт динамічної в’язкості, Па/с;
l – довжина капіляра, м.

Об’єм

Відстань між молекулами всередині рідини дуже мале. Воно менше розмірів самих молекул. Тому рідину дуже важко стиснути механічно. Тиск, вироблений на рідину, укладену в посудину, передається в будь-яку точку без змін у всіх напрямках. Так формулюється закон Паскаля. На цій особливості рідин заснована робота гальмових систем, гідравлічних пресів та інших гідравлічних пристроїв.

Рідина зберігає свій об’єм, якщо не змінюються зовнішні умови (тиск, температура). Але при нагріванні об’єм рідини збільшується, а при охолодженні зменшується. Втім, тут є виключення. При нормальному тиску та підвищенны температури від 0 до 4^о об’єм води не збільшується, а зменшується.

Хвилі щільності

Стиснути рідину дуже важко. Але при зміні тиску все ж можливо. І в цьому випадку змінюється її щільність і об’єм. Якщо стиснення відбудеться в одній ділянці рідини, то на інші ділянки воно буде передаватися поступово. Це означає, що в рідині будуть поширюватися пружні хвилі. Якщо щільність змінюється слабо, то отримуємо звукову хвилю. А якщо достатньо сильно, то виникає ударна хвиля.

Поверхневий натяг рідини

Явище поверхневого натягу ми спостерігаємо кожен раз, коли вода повільно капає з водопровідного крана. Спочатку ми бачимо тонку прозору плівку, що розтягується під вагою води. Але вона не рветься, а охоплює невелику кількість води і утворює крапельку, що падає з крана. Її створюють сили поверхневого натягу, які стягують воду в маленьку подобу кулі.

Як виникають ці сили? На відміну від газу рідина заповнює лише частину об’єму посудини, в якій знаходиться. Її поверхня – це межа розділу між рідиною і газом (повітрям або парою). З усіх боків молекулу, що знаходиться всередині рідини оточують інші молекули тієї ж рідини. На неї діють сили міжмолекулярного впливу. Вони взаємно врівноважені. Рівнодійна цих сил дорівнює нулю.

А на молекули, що знаходяться в поверхневому шарі рідини, сили тяжіння з боку молекул цієї ж рідини можуть діяти тільки з одного боку. З іншого боку на них діють сили притягання молекул повітря. Але так як вони дуже малі, то ними нехтують

Рівнодійна всіх сил, що діють на молекулу, яка знаходиться на поверхні, спрямована всередину рідини. І щоб не виявитися втягнутою в рідину і залишитися на поверхні, молекула здійснює роботу проти цієї сили. В результаті молекули верхнього шару отримують додатковий запас потенційної енергії. Чим більше поверхня рідини, тим більша кількість молекул знаходиться там, і тим більше потенційна енергія. Але в природі все влаштовано так, що будь-яка система намагається звести свою потенційну енергію до мінімуму. СОтже, існує сила, яка буде прагнути скоротити вільну поверхню рідини. Ця сила називається силою поверхневого натягу.

Натяг поверхні рідини дуже великий. І щоб його розірвати потрібна досить значна сила. Непорушена поверхня води може легко утримувати монету, лезо бритви або сталеву голку, хоча ці предмети значно важче води. Сила тяжіння, що діє на них, виявляється менше сили поверхневого натягу води.

Найменшу поверхню з усіх геометричних об’ємних тіл має куля. Тому якщо на рідину діють тільки сили поверхневого натягу, то вона приймає форму сфери. Таку форму мають краплі води в невагомості. Мильні бульбашки або бульбашки киплячої рідини також намагаються прийняти сферичну форму.

Змішуваність

Рідини можуть розчинятися одна в одній. Ця здатність називається змішуваністю. Якщо помістити в одну посудину дві рідини які змішуються, то в результаті теплового руху їх молекули поступово будуть переходити через межу розділу. В результаті відбудеться змішування. Але не всі рідини можуть змішуватися. Наприклад, вода і олія не змішуються ніколи. А воду і спирт змішати дуже легко.

Адгезія

Всі ми знаємо, що гуси і качки виходять з води сухими. Чому ж їх пір’я не намокають? Виявляється, у них є спеціальна залоза, яка виділяє жир, яким водоплавні птахи за допомогою дзьоба змащують своє пір’я. І вони залишаються сухими, тому що вода стікає з них крапельками.

Помістимо краплю води на пластинку з полістиролу. Вона приймає форму сплющенної кульки. Таку ж краплю спробуємо помістити на скляну пластинку. Ми побачимо, що на склі вона розтікається. Що ж відбувається з водою? Вся справа в тому, що сили тяжіння діють не тільки між молекулами самої рідини, але і між молекулами різних речовин у поверхневому шарі. Ці сили називаються силами адгезії (від латинського adhaesio – прилипання).

Взаємодію рідини з твердим тілом називають змочуванням. Але поверхня твердого тіла змочується не завжди. Якщо виявиться, що молекули самої рідини притягуються одна до одної сильніше, ніж до твердої поверхні, то рідина збереться в крапельку. Саме так поводиться вода на пластинці з полістиролу. Вона не змочує цю пластинку. Точно так само не розтікаються крапельки ранкової роси на листочках рослин. І з цієї ж причини вода стікає з покритих жиром пір’я водоплавних птахів.

А якщо тяжіння молекул рідини на твердій поверхні сильніше сил тяжіння між самими молекулами, то рідина розпливається на поверхні. Тому наша крапелька на склі також розтеклася. В цьому випадку вода змочує поверхню скла.

Наллємо воду в посудину з полістиролу. Подивившись на поверхню води, ми побачимо, що вона не горизонтальна. У країв посудини вона викривляється вниз. Так відбувається, тому що сили притягання між молекулами води більше, ніж сили адгезії (прилипання). А в скляній посудині поверхня води біля країв викривляється вгору. У цьому випадку сили прилипання більше внутрішньомолекулярних сил води. В широких судинах це викривлення спостерігається тільки у стінок посудин. А якщо посудина вузька, то це викривлення помітно по всій поверхні води.

Явище адгезії широко використовується в різних галузях промисловості – лакофарбовій, фармацевтичній, косметичній та ін. Змочування необхідно при склеюванні, фарбуванні тканин, нанесенні на поверхню фарб, лаків. А при будівництві басейнів їх стінки, навпаки, покривають матеріалом, який не змочується водою. Такі ж матеріали використовують для парасольок, плащів, туристичного взуття, тентів.

Капілярність

Ще одна цікава особливість рідини – капілярний ефект. Так називають її здатність змінювати свій рівень в трубках, вузьких посудинах, пористих тілах.

Якщо опустити вузьку скляну трубку (капіляр) у воду, то можна побачити, як піднімається в ній водяний стовпчик. Чим вужче трубка, тим вище стовпчик води. Якщо опустити таку ж трубку в рідку ртуть, то висота стовпчика ртуті виявиться нижче рівня рідини в посудині.

Рідина в капілярах здатна підніматися по вузькому каналу (капіляру) тільки в тому випадку, якщо вона змочує його стінки. Так відбувається в грунті, піску, скляних трубках, з яких легко піднімається волога. З цієї ж причини просочується гасом гніт у гасовій лампі, рушник вбирає вологу від мокрих рук, відбуваються різні хімічні процеси. В рослинах по капілярах надходять до листя поживні речовини і волога. Завдяки капілярному ефекту можлива життєдіяльність живих організмів.