Вода поднимается сама

Смачивание, узкие трубки и подъём воды между волокнами бумаги

Для учителя

Почему вода поднимается в узкой трубке

Опусти открытую тонкую стеклянную трубку в воду. Внутри вода может подняться выше, чем снаружи, хотя её никто не накачивает. Такой подъём называют капиллярным. Тонкая трубка — это капилляр.

Капиллярные явления — подъём или опускание жидкости в узких трубках и промежутках. Результат зависит от смачивания стенок и поверхностного натяжения жидкости. Похожие промежутки есть между волокнами бумаги и ткани.

В уроке сравним воду в трубках разной ширины. Затем проверим, как воск, разрыв бумаги и защитный слой в стене мешают воде подниматься.

Что значит «вода смачивает поверхность»

На чистом стекле капля обычно растекается, а на водоотталкивающем покрытии остаётся округлой. В первом случае вода хорошо смачивает поверхность, во втором — плохо.

Смачивание зависит и от жидкости, и от поверхности. Поэтому одинаковая вода ведёт себя по-разному на стекле и воске. Чистота, шероховатость и покрытие тоже влияют на результат.

Поверхностное натяжение связано со стремлением поверхности жидкости уменьшить свою площадь. Её иногда сравнивают с натянутой плёнкой, но отдельной твёрдой оболочки на воде нет.

Почему поверхность воды изгибается

Мениск — изгиб поверхности жидкости у стенки. Если вода смачивает стенку, края её поверхности выше середины: мениск вогнутый. Если не смачивает, края ниже середины: мениск выпуклый.

В узкой трубке форма поверхности влияет на уровень всей воды внутри. На чистом стекле возможен подъём, а на водоотталкивающем покрытии — опускание относительно воды снаружи.

Высоту измеряют от поверхности воды в большом внешнем сосуде. Дно трубки для этого не подходит. Пунктир на схеме отмечает именно внешний уровень.

Почему вода не поднимается бесконечно

Поверхностное натяжение и смачивание поддерживают поднявшийся столб воды. На него действует сила тяжести. Чем выше столб, тем больше его вес. Подъём останавливается, когда достигается равновесие.

При одинаковых жидкости и стенках в более узкой смачиваемой трубке установившаяся высота больше. Уменьшение радиуса вдвое даёт удвоение высоты в принятой модели.

Это правило относится к конечной высоте. Оно не говорит, какая трубка заполнится быстрее. На скорость влияют также вязкость жидкости и условия опыта.

Как сравнить две трубки

Чтобы проверить влияние ширины, меняй только внутренний радиус трубки. Жидкость, температура и материал стенок должны оставаться одинаковыми. Чтобы проверить покрытие, наоборот, сохрани радиус и измени только поверхность.

Пример: в стеклянной трубке радиусом 1,0 мм вода поднялась примерно на 2,0 см. В той же модели при радиусе 0,5 мм она поднимется примерно на 4,0 см: радиус уменьшился вдвое, высота увеличилась вдвое.

На странице подбери радиус трубки B, чтобы вода попала в жёлтую полосу около +4 см. Запиши настройку, затем измени один параметр и сравни результат. Числа округлены; время подъёма не рассчитывается.

Как вода проходит по бумаге

Бумага состоит из волокон. Между ними есть узкие связанные промежутки. Если нижний край сухой полоски касается воды, вода заполняет эти промежутки и мокрый участок растёт.

На странице можно заменить середину полоски воском или разрывом. Сплошная бумага проводит воду до верхней метки. Воск через всю толщину перекрывает промежутки, а воздушный разрыв разъединяет части бумаги. В этих двух случаях верх остаётся сухим.

Тонкое покрытие воском только с одной стороны может оставить обход. В настоящей бумаге промежутки ветвятся, а скорость намокания зависит от её состава и толщины. Полотенце хорошо впитывает воду; водоотталкивающая пропитка ткани мешает смачиванию.

Как защитный слой останавливает влагу

Вода из влажного грунта может подниматься по порам стены. Водонепроницаемый слой, или мембрана, перекрывает эти поры. Если он целый, верхняя часть в нашей схеме остаётся сухой.

Если в мембране есть щель, вода проходит через неё. Выше щели она может распространяться по порам в стороны. Сравни целую мембрану, мембрану со щелью и стену без защиты.

Схема показывает только влагу, которая поднимается снизу. Дождь и конденсат имеют другие причины. В растениях капиллярность тоже участвует в движении воды, но у высоких деревьев важны испарение через листья и сцепление молекул воды: одной капиллярности недостаточно.

Опыт с салфеткой и водой

Понадобятся сухая бумажная салфетка, стакан воды и линейка. Воду можно слегка окрасить пищевым красителем. Вырежи полоску и опусти в воду только нижний край.

Отметь начальный уровень воды и границу мокрого участка через одну минуту. Запиши вид бумаги, время, высоту и наблюдения. Для повторения возьми новую сухую полоску.

Если сравниваешь две бумаги, сохрани одинаковыми ширину полосок, глубину погружения и время. Мокрый след через минуту не обязательно показывает конечную высоту подъёма: намокание может продолжаться, а часть воды испаряется.

Что важно запомнить

Вода поднимается не в любой узкой трубке. Если она смачивает стенки, возможен подъём; если не смачивает — опускание. Сила тяжести действует в обоих случаях.

Более узкая смачиваемая трубка даёт большую конечную высоту, но не обязательно большую скорость. Для сравнения скорости нужно измерять время.

В бумаге и стене важны связанные промежутки. Сплошная преграда перекрывает их, а одна щель может оставить воде проход. Синие участки схемы показывают мокрые места, а не отдельные молекулы.

Проверь себя

1. Откуда отсчитывают высоту воды в трубке?

Ответ

От поверхности воды в большом сосуде снаружи трубки. На рисунке этот уровень отмечен пунктиром.

2. Радиус стеклянной трубки уменьшили втрое. Как изменится конечная высота подъёма?

Ответ

В этой модели высота станет втрое больше, если жидкость, покрытие стенок и остальные условия прежние.

3. Почему при сравнении ширины трубок нужно оставить одинаковое покрытие?

Ответ

Высота зависит и от ширины, и от смачивания. Если изменить оба условия, нельзя понять, какое из них повлияло на результат.

4. Может ли вода в трубке оказаться ниже воды снаружи?

Ответ

Да. Это возможно, если вода плохо смачивает стенки, как на водоотталкивающем покрытии в модели. Поверхность внутри тогда выпуклая.

5. Почему воск на середине бумажной полоски мешает намокнуть её верху?

Ответ

В модели воск пропитывает полоску на всю толщину. Он не даёт воде смачивать волокна на этом участке, поэтому вода не проходит выше.

6. Что изменится, если в защитном слое стены оставить щель?

Ответ

Вода из грунта сможет подняться через щель, затем распространиться по связанным порам выше слоя. Целый слой перекрывает этот путь.

7. Полоска намокла на несколько сантиметров за минуту. Это её конечная высота намокания?

Ответ

Не обязательно. Вода может продолжать подниматься; одновременно часть воды испаряется. Высота через минуту и конечная высота — разные результаты.

8. Можно ли объяснить подъём воды до верхушки высокого дерева одной капиллярностью?

Ответ

Нет. Капиллярность помогает, но важную роль играет испарение воды листьями. Растение переносит воду несколькими связанными процессами.

RU / EN

Капилляр

Capillary

Капиллярный подъём

Capillary rise

Капиллярное опускание

Capillary depression

Смачивание

Wetting

Мениск

Meniscus

Поверхностное натяжение

Surface tension

Связанные поры

Connected pores

Водонепроницаемый барьер

Waterproof barrier

Для учителя

Цель урока: ученик объясняет подъём воды в тонкой трубке и бумаге, сравнивает ширину трубок и показывает, как защитный слой мешает воде подниматься в стене.

Работа на 45 минут: 5 минут — предположения по изображению; 12 — трубки и журнал; 7 — смачивание и мениск; 8 — бумага, воск и разрыв; 6 — целая мембрана, щель и отсутствие слоя; 7 — вопросы и вывод. Настоящий опыт с салфеткой может заменить часть работы на экране.

Как проверить понимание: сначала меняйте только радиус трубки, затем только покрытие. В опыте со стеной попросите показать, где проходит вода при появлении щели. Важно объяснение маршрута, а не случайный выбор переключателя.

Количественная модель для учителя. Использовано приближение h = 2σ cos θ / (ρgr). Радиус r подставляется в метрах, результат h получается в метрах относительно поверхности резервуара. В коде σ = 0,0728 Н/м, ρ = 998 кг/м³, g = 9,81 м/с²; θ = 0° для идеализированного чистого стекла и 120° для условного покрытия. Числа не следует переносить на любую реальную поверхность. Формула не обязательна для запоминания восьмиклассником; на основном уровне достаточно направления эффекта и сравнения ширины.

Трубки предполагаются вертикальными, открытыми, цилиндрическими; резервуар большой; испарение и загрязнение не учитываются. Ширины на рисунке увеличены для удобства, шкала высот единая. Геометрия мениска условна. Модель сразу показывает конечный уровень воды; время подъёма не рассчитывается. Бумажная полоска показывает, может ли вода пройти между волокнами. Опыт со стеной показывает, где вода проходит через поры; время намокания и высыхания не вычисляется.

Для проверки формулы и величины поверхностного натяжения использован OpenStax, Surface Tension and Capillary Action. Ссылка дополнительная; весь основной материал доступен без сети.