Povrchové napětí

Existence povrchového napětí má řadu praktických aplikací (používání pracích a mycích prostředků, existence funkčního sportovního prádla apod.). Chtějí-li žáci porozumět uvedeným aplikacím, je nutné dobře pochopit význam pojmu povrchové napětí. Jednou z cest k tomu je i jednoduchý experiment.

Příprava experimentu

K experimentu budeme potřebovat pouze prázdnou plechovku. Ovšem pozor! Plechovka musí být téměř neporušená - pouze do jedné z jejích podstav uděláme (např. běžným otvírákem na konzervy, který jen zarazíme do plechovky) dva malé otvory. Pro správný průběh experimentu je nutné, aby otvory byly v protilehlých bodech průměru podstavy. Proto je vhodné využít plechovku od nápoje (např. od džusu, kondenzovaného mléka apod.), který otvory vylijeme do sklenice pro další konzumaci. Plechovku pečlivě ihned vypláchneme čistou vodou. Tím je tato pomůcka připravena k experimentu.

Průběh experimentu

Do plechovky jedním z otvorů nalijeme vodu. Pak plechovku uchopíme do jedné ruky a natočíme do vodorovné polohy tak, aby podstava s otvory byla dole. Voda přitom z plechovky nevytéká.

1. obrázek

ě nakloníme plechovku tak, aby otvory byly v nejnižším a nejvyšším bodě její spodní podstavy. V této poloze začne voda ze spodního otvoru v podstavě plechovky vytékat.

2. obrázek

V dalším kroku experimentu natočíme plechovku zpět do původní polohy (v níž jsou její podstavy vodorovné) - voda přestane vytékat. Pokračujeme nakloněním na druhou stranu, než v předchozích krocích experimentu, a pozorujeme, že voda z plechovky opět vytéká.

Vysvětlení výsledků experimentu

Je-li plechovka v poloze, v níž jsou její podstavy vodorovné, voda z ní nevytéká. Z hlediska makroskopického je voda držena v plechovce tlakovou silou atmosféry, která je větší než tíhová (resp. tlaková) síla vody v plechovce. Skutečnost, že voda nevytéká, je dána tím, že do plechovky neproudí zvenčí vzduch. Proto se nevyrovnává tlak uvnitř plechovky s vnějším atmosférickým tlakem, a tedy se nevyrovnávají ani síly působí na vodu zvenčí a zevnitř.

Jakmile plechovku nakloníme, vnější vzduch do ní částečně proniká. Tím se vyrovnávají tlaky uvnitř a vně plechovky, a tedy i působící síly.

Z mikroskopického hlediska vysvětlení experimentu vyplývá z existence tzv. povrchové vrstvy kapaliny, která má vlastnosti pružné blány. Voda vyplňující otvory v plechovce nevyteče právě proto, že její povrch je pružně deformovatelný - „hladina vody" se tedy pouze vyklene směrem ven z plechovky. Vodní hladina má ve styku se vzduchem určité povrchové napětí.

Nakloníme-li plechovku, změní se makroskopické (a tedy i mikroskopické) silové poměry v obou uvažovaných otvorech. Povrchová síla již nebude schopná udržet vodu v nižším otvoru a voda začne vytékat ven. Původní silové poměry se znovu ustaví při vrácení plechovky do polohy, v níž jsou její podstavy vodorovné.