XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Поверхностное натяжение — это величина, которая показывает стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Рис.1

Сила поверхностного натяжения – это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности.

Сила поверхностного натяжения рассчитывается по формуле: F = σ × L, где: 

σ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости (ньютон на метр, Н/м),

L — длина контура (границы), вдоль которой действует сила (метр, м).

Факторы, влияющие на величину σ: природа жидкости; температура; примеси; состояние газовой среды, соприкасающейся с жидкостью.

Проявления поверхностного натяжения

– образование почти сферической капли воды,

– устойчивость тонких мыльных плёнок,

– способность лёгких тел (иголка, монета) удерживаться на поверхности воды,

– вытягивание жидкости в капиллярных трубках.

Смачивание – явление, возникающее при контакте жидкости с твёрдым телом. Оно определяется соотношением сил притяжения между:

• молекулами жидкости друг с другом,

• молекулами жидкости и молекулами твёрдого тела.

Смачивание и не смачивание определяют поведение различных жидкостей на поверхностях и зависят от природы материала и химического состава жидкости.

Например, капли воды на листе растения имеют круглую форму из-за поверхностного натяжения.

Капиллярные явления — подъём или опускание жидкости в узких трубках и капиллярах.

Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами: сила тяжести заставляет жидкость опускаться вниз, а сила поверхностного натяжения двигает её вверх.

Рис.2

Самый распространенный пример капиллярного явления – это принцип работы обыкновенного полотенца или бумажной салфетки. Вода с рук уходит на полотенце или бумажную салфетку за счет подъема жидкости по тонким волокнам, из которых они состоят. В живых организмах, именно капилляры являются важной частью кровоснабжения. Для растений крайне важно движение воды в почве.

1. 2. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) и их классификация

Поверхностно-активное вещество (ПАВ) — химическое соединение, которое вызывает снижение поверхностного натяжения (например, «вода–воздух» или «вода–масло»).

Основное свойство ПАВ — поверхностная, или капиллярная активность, то есть способность понижать свободную поверхностную энергию. Это связано с их способностью адсорбироваться в поверхностном слое на границе раздела двух соприкасающихся фаз: «жидкость-газ» (пар), «жидкость-жидкость», «жидкость-твёрдое тело».

Выделяют две противоположные части:

• Гидрофильная (любящая воду);

• Гидрофобная (водоотталкивающая, но взаимодействующую с жирами).

1.3 Применение и проявление в природе

Поверхностные явления встречаются повсюду — от микромира до масштабных природных процессов.

В природе

– водомерки и другие насекомые могут скользить по поверхности воды;

– растения поднимают воду по капиллярам стебля

– перья водоплавающих птиц имеют гидрофобное покрытие;

– капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной;

– струя воды из-под крана стремится к цилиндрической форме;

В технике и промышленности

– фитильные лампы работают благодаря капиллярному подъёму масла;

– поверхностное натяжение используется в методах распыления краски;

– в процессах сварки и пайки;

– в бытовой химии: стиральный порошок, средства для посуды и уборки.

В медицине и фармацевтике

– действие многих лекарственных форм основано на устойчивости эмульсий, пены и суспензий;

– ПАВ входят в состав антисептиков, ингаляционных растворов, дезинфицирующих средств.

РАЗДЕЛ 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Демонстрационные опыты

Опыт №1. Плавающая иголка. (рисунок 5)

Опыт 1. Наблюдение удержания иглы на поверхности воды.

Цель: продемонстрировать существование силы поверхностного натяжения.

Оборудование: дистиллированная вода, игла, бумажная салфетка, пипетка, жидкое мыло, ватная палочка.

Ход опыта:

1. Емкость мы заполнили водой доверху, обеспечивая минимальное искривление поверхности.

2. На воду аккуратно опустили фрагмент бумажной салфетки, на котором лежит металлическая игла.

3. После намокания салфетка тонет, а игла остаётся на поверхности.

4. В центральную область поверхности ввели каплю мыльного раствора с помощью ватной палочки.

Наблюдения: Игла удерживается на воде благодаря действию сил поверхностного натяжения, формирующих «плёнку».

Рис.5

После внесения ПАВ поверхностное натяжение резко уменьшается, и игла тонет.

Вывод: ПАВ уменьшают коэффициент поверхностного натяжения воды, что подтверждается изменением поведения лёгкого металлического предмета на поверхности

Опыт №2. Плавающая монета. (рисунок 6)

Опыт 2. Удерживание монеты на водной поверхности.

Цель: исследовать способность тонких плоских тел удерживаться на поверхности.

Оборудование: дистиллированная вода, монета, бумажная салфетка.

Ход опыта:

1. На поверхность воды мы поместили салфетку с расположенной на ней монетой.

2. После намокания салфетка тонет, монета остаётся плавать.

Наблюдения: Монета удерживается на поверхности аналогично игле, что связано с увеличением площади контакта между жидкостью и телом.

Рис.6

Вывод: Силы поверхностного натяжения могут удерживать тела, плотность которых выше плотности воды, если их площадь распределяет вес достаточно равномерно.

Опыт №3. Вода и монетка. (рисунок 7)

Опыт 3. Образование выпуклой «водяной линзы» на монете.

Цель: показать способность поверхности воды сопротивляться увеличению своей площади.

Оборудование: монета, пипетка, вода.

Ход опыта:

1. На поверхность обезжиренной спиртом монеты по одной мы нанесли капли воды с помощью пипетки.

2. Подсчитали максимальное число капель, при котором «водная шапочка» сохраняет устойчивость (18 капель). Наблюдения: на монете формируется выпуклая поверхность. Разрыв происходит после превышения предельной величины поверхностного натяжения.

Вывод: Поверхностное натяжение воды достаточно велико

Рис.7

чтобы удерживать выпуклую поверхность без немедленного растекания.

Опыт №4. С дистиллированной водой и молотым перцем. (рисунок 8)

Опыт 4. Влияние ПАВ на распределение частиц на поверхности воды.

Цель: продемонстрировать перераспределение лёгких частиц под действием изменения σ.

Оборудование: дистиллированная вода, молотый перец, мыльный раствор.

Ход опыта:

1. На поверхность воды в миске равномерно распределили частицы перца.

2. В центр поверхности ввели каплю мыльного раствора.

Наблюдения: Частицы перца мгновенно отталкиваются от центра и собираются у стенок.

Вывод: образуется градиент поверхностного натяжения: в месте попадания мыла σ уменьшается, и более «сильные» участки поверхности растягивают плёнку, унося частицы.

Рис.8

Опыт №5. С молоком и куркумой. (рисунок 9)

Опыт 5. Взаимодействие мыла с молоком, содержащим жиры.

Цель: наблюдать изменение структуры жидкости при введении ПАВ.

Оборудование: молоко, куркума, мыло, ватная палочка.

Ход опыта:

1. На поверхность молока нанесли слой куркумы как индикатор движения.

2. Внесли каплю мыльного раствора в центральную область.

Наблюдения: Куркума стремительно расходится от центра, создавая цветные разводы.

Рис.9

Объяснение: ПАВ разрушает жировые оболочки и уменьшает поверхностное

натяжение локально. Возникают вытесняющие потоки.

Опыт №6. С кока колой и крошками пенопласта. (рисунок 10)

Опыт 6. Определение влияния ПАВ на распределение лёгких тел на поверхности колы.

Цель: показать универсальность действия ПАВ.

Оборудование: кока-кола (дегазированная), крошки пенопласта, мыльный раствор.

Ход опыта:

1. На поверхность колы поместили крошки пенопласта.

2. Ввели каплю мыльного раствора.

Наблюдения: Крошки стремительно перемещаются к краям ёмкости.

Вывод: Эффект аналогичен опыту с перцем, что подтверждает универсальное влияние ПАВ на σ.

Рис.10

Опыт №7. Получение мыльной пленки в кольце.(рисунок 11)

Опыт 7. Формирование минимальной площади мыльной плёнки.

Цель: продемонстрировать стремление мыльной плёнки к минимальной площади.

Оборудование: металлическое кольцо, нитяное кольцо, раствор мыльной пены, палочка.

Ход опыта:

1. Металлическое кольцо погружаем в раствор для получения плёнки.

2. На плёнку аккуратно помещаем нитяное кольцо.

3. Внутри нитяного кольца плёнку прокалываем.

Рис.11

Наблюдения: Плёнка снаружи натягивает нить, придавая ей форму идеального круга.

Вывод: Мыльная плёнка сокращает площадь поверхности, равномерно растягивая граничную нить.

2.2. Экспериментальные исследования

Методы измерения коэффициента поверхностного натяжения

Для определения поверхностного натяжения жидкостей используют две группы методов - статические и динамические.

В своей работе для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей мы будем использовать методы счета капель и метод отрыва кольцевой рамки.

Эксперимент №1 Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольцевой рамки из металлической проволоки для разных температур. (Приложение 1)

Цель: получить количественное значение σ для воды при различных температурах.

Метод: динамический метод отрыва рамки.

Оборудование: динамометр,кольцевая рамка из металлической проволоки, нить, сосуд с водой, термометр, штатив.

Ход работы:

1. Мы заполнили тарелку дистиллированной водой.

2. Закрепили нить на кольцевой рамке из металлической проволоки.

3. Подвесил рамку к динамометру и расположил ее так, чтобы плоскость рамки была параллельно поверхности жидкости, а сама рамка находилась непосредственно над ней.

4. Рамку поднесли к миске с жидкостью так, чтобы она легла на поверхность.

5. Плавно увеличивали силу подъёма, пока рамка не отделилась.

6. С помощью динамометра фиксировали показания.

7. Провели этот эксперимент с дистиллированной водой разной температуры.

При поднятии рамки над поверхностью жидкости между рамкой и поверхностью образуется пленка, которая тянет вниз.

Результат: при отрывании рамки от воды пружина заметно растягивается. (Диаграмма 1 Приложение 4).

Расчёт: Коэффициент поверхностного натяжения (σ) рассчитывают по формуле: σ = F / L, где:

• F — сила, приложенная к динамометру, когда основание рамки находится на уровне свободной поверхности жидкости, мН;

• L — длина рамки = 0,3 м.

 

 

Таблица 1. Коэффициент поверхностного натяжения воды от температуры.

№п/п	1	2	3	4
Температура воды, t ºС	20	40	60	80
Сила поверхностного натяжения F, мН	20	18	16	12
Коэффициент поверхностного натяжения, σ мН/м	67	60	53	40

Вывод: С увеличением температуры воды коэффициент поверхностного натяжения уменьшается, что согласуется с теоретическими данными о снижении межмолекулярных взаимодействий при нагревании.

Эксперимент №2 Сравнение σ различных жидкостей методом отрыва кольцевой рамки из металлической проволоки. (Приложение 2)

Цель: установить зависимость σ от природы жидкости.

Метод: динамический метод

Оборудование: жидкости: дистиллированная вода, молоко, кока-кола, мыльный раствор. динамометр, тарелка для жидкости, нить, кольцевая рамка из металлической проволоки, штатив.

Ход работы: 

1. Мы заполняли тарелку различными жидкостями.

2. Закрепили нить на кольцевой рамке из металлической проволоки.

3. К пружине динамометра подвесили на нить рамку так, чтобы её нижняя поверхность была расположена горизонтально.

4. Рамку поднесли к миске с жидкостью так, чтобы она легла на поверхность.

5. Плавно увеличивали силу подъёма, пока рамка не отделилась.

6. С помощью динамометра фиксировали показания.

7. Для каждой жидкости выполнили процедуру отрыва рамки при одинаковых условиях.

8. Регистрируем значения F и вычисляем σ.

Наблюдения:

Полученные значения σ существенно различаются:

– у мыльного раствора — минимальные;

– у воды и колы — максимальные среди бытовых жидкостей;

– у молока— промежуточные.

Результат:

При использовании различных жидкостей получены различные показатели, что указывает на зависимость коэффициента поверхностного натяжения от состава жидкости.

Результат эксперимента внесли в таблицу 2 и сравнили на Диаграмме 2 (Приложение 4).

Таблица 2. Коэффициент поверхностного натяжения различных жидкостей.

№ п/п	Вещество при t=20°C	Плотность, кг/м3	Сила поверхностного натяжения F, мН	Коэффициент поверхностного натяжения вычисленный, мН/м	Коэффициент поверхностного натяжения табличный, мН/м
1	Вода дистиллированная	1000	20	67	72
2	Молоко (3,2%)	1030	12	40	44
3	Кока-Кола	1040	21	70	74
4	Мыльный раствор	1030	11	37	40

Вывод: Присутствие растворённых веществ и органических компонентов меняет поверхностное натяжение по сравнению с чистой водой.

Эксперимент №3 Определение σ методом отрыва капель. (Приложение 3)

Цель: получить независимую оценку σ через массу одной капли.

Метод: статистический метод формирования капли.

Оборудование: шприц с известным диаметром сопла d = 0,002м, весы, вода, термометр

Наблюдая за отрывом капли жидкости от вертикальной узкой трубки, можно определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости.Размер капли постепенно нарастает, но отрывается она только тогда, когда достигает определенного размера.

При медленном надавливании из канала шприца появляется капля, которая увеличивается и в момент отрыва модуль силы поверхностного натяжения равен модулю силы тяжести g=9,8 м/с, m - масса одной капли.

Для просчета определяем, что диаметр шейки капли равен диаметру шприца.

Следовательно: σ×π×d = m ×g. Масса капли вычисляется путем деления общей массы M на число капель N: или

Ход работы:

1. Измерили с помощью штангенциркуля диаметр канала шприца: d = 0,002м.

2. Измерили температуру дистиллированной воды t=20°C.

3. Определили массу пустой емкости m1=0,05 кги, добившись медленного падения капель, накапал в емкость N капель дистиллированной водой.

4. Определили m2 кгмассу емкости с дистиллированной водой.

Вычислили массу одной капли m по формуле:

5. Вычислили M массу дистиллированной воды: M=m2-m1

6. На основе формулы рассчитали значение коэффициента поверхностного натяжения дистиллированной воды и внесли в таблицу №3:

= 65 мН/м

= 62 мН/м

= 59 мН/м

ср= = = 62 мН/м

7. Определили относительную погрешность методом оценки результатов измерений по формуле и внесли в таблицу №3.

δ = = × 100 δ = = × 100=4,16%

Таблица №3. Результаты измерения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капли

№ опыта	Масса капель, m, кг	число капель N	Диаметр канала шприца, м	Поверхностное натяжение σ, мН/м	Среднее значение поверхностного натяжения, σср, мН/м	Табличное значение поверхностного натяжения σ, мН/м	Относительная погрешность δ %
1	0,0021	50	0,002	65	62	72	4,16%
2	0,0014	35		62
3	0,0007	20		59

Вывод: в своей работе мы определили коэффициент поверхностно натяжения воды при температуре 20 ºС методом отрыва капель и получил δср = 62 мН/м.

Полученное значение σ согласуется с результатами метода отрыва рамки, что подтверждает достоверность измерений.

Погрешность измерений за счет погрешности в кухонных весах, измерений по формулам.

Проведенная серия экспериментов позволила установить зависимость коэффициента поверхностного натяжения от природы жидкости и температуры. Несмотря на то, что количественные результаты оказались занижены относительно табличных значений приблизительно на 10%, основные закономерности были выявлены четко и подтверждены разными методами.

Основные источники погрешности:

1. Методическая погрешность: неполный отрыв жидкостной пленки от всей поверхности рамки одновременно

2. Инструментальная погрешность: субъективность определения момента отрыва и точности отсчета по динамометру

3. Случайная погрешность: сложность обеспечения стабильной температуры и измерения температуры по всему объему жидкости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведённого исследования была решена поставленная задача — экспериментально изучено явление поверхностного натяжения воды и установлена зависимость коэффициента поверхностного натяжения от внешних факторов: температуры и наличия поверхностно-активных веществ (ПАВ).

В результате теоретического анализа и серии опытов и экспериментальных измерений гипотеза исследования была подтверждена: Поверхностное натяжение действительно существует и проявляется в сохранении формы капель, удержании твёрдых тел на поверхности, капиллярных подъёмах и других явлениях; Коэффициент поверхностного натяжения можно измерить в бытовых и школьных условиях с применением доступных приборов и самодельного оборудования; Величина σ изменяется при изменении температуры: с увеличением температуры поверхностное натяжение уменьшается; ПАВ существенно снижают поверхностное натяжение, что подтверждено качественными и количественными экспериментами.

В ходе опытов и экспериментов мы узнали, что поверхностное натяжение воды существует и его можно изменить. Систематизировали сведения о природе поверхностных явлений, механизме поверхностного натяжения, смачивании и капиллярных эффектах. Изучили и классифицировали группу поверхностно-активных веществ и объяснил механизм их действия. Установили ключевые связи между молекулярным взаимодействием и макроскопическими явлениями.

Эксперимент с кольцевой рамкой подтвердил зависимость σ от природы жидкости: минимальные значения у мыльного раствора (37 мН/м), максимальные - у воды (67 мН/м) и Кока-Колы (70 мН/м)

Метод отрыва капель дал среднее значение σ = 62 мН/м для воды при 20°C с относительной погрешностью 4,16%, что хорошо согласуется с результатами метода отрыва рамки.

В ходе серии экспериментов количественно подтверждена гипотеза исследования.

Метод отрыва рамки позволил численно определить коэффициент поверхностного натяжения воды и других бытовых жидкостей.

Получены значения σ, согласующиеся с известными табличными данными. Показана устойчивая тенденция снижения σ при нагревании и при добавлении ПАВ. Метод счёта капель дал независимую оценку σ, совпадающую по порядку величины с данными первого метода, что подтверждает достоверность и воспроизводимость результатов. Качественные опыты (игла, монета, перец, мыльная плёнка) наглядно продемонстрировали физический смысл поверхностного натяжения и его роль в реальных процессах.

Практическая значимость работы подтверждена не только анализом областей применения (промышленность, медицина, материаловедение), но и разработкой наглядных экспериментов, опытов. Несмотря на количественные расхождения с табличными данными, эксперименты успешно демонстрируют ярко выраженную зависимость коэффициента поверхностного натяжения от природы жидкости и подтверждают теоретические положения о влиянии ПАВ и растворенных веществ на поверхностные свойства жидкостей.

Предложенные методики просты, безопасны и позволяют демонстрировать сложные физические процессы наглядно и доступно. Все эксперименты демонстрируют хорошую воспроизводимость и взаимное подтверждение результатов, несмотря на использование различного оборудования и методик

Таким образом, проведенное исследование имеет законченный характер. Гипотеза о существовании поверхностного натяжения и возможности его измерения и изменения подтверждена экспериментально. Работа вносит вклад в популяризацию физики и демонстрирует тесную связь фундаментальных законов с повседневными явлениями.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Громов, С. В. Физика : 7 класс : учебник для общеобразовательных организаций / С. В. Громов, Н. А. Родина. — Москва : Просвещение, 2019. — 158 с. — ISBN 978-5-09-071690-1.

2. Детская энциклопедия «Волшебство воды» / ред. Е. А. Хлебосолова. — Москва : Росмэн-Пресс, 2008. — 127 с. — ISBN 978-5-353-03432-7.

3. Кикоин, И. К. Физика : учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений / И. К. Кикоин, А. К. Кикоин. — Москва : Просвещение, 2001. — 191 с. — ISBN 5-09-010581-9.

4. Китайгородский, А. И. Физика для всех. Молекулы / А. И. Китайгородский. — 4-е изд., перераб. — Москва : Наука, 1987. — 231 с.

5. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика 10 класс Углубленный уровень. Молекулярная физика. Термодинамика - Москва : Просвещение, 2021 – 352 с. — ISBN 978-5-358-23813-8

6. Перельман, Я. И. Занимательная физика. Книга 1 / Я. И. Перельман. — Москва : АСТ, 2022. — 368 с. — ISBN 978-5-17-148594-6.

7. Перельман, Я. И. Занимательная физика. Книга 2 / Я. И. Перельман. — Москва : АСТ, 2022. — 320 с. — ISBN 978-5-17-148595-3.

8. Перышкин, А. В. Физика : 7 класс : учебник для общеобразовательных организаций / А. В. Перышкин. — 5-е изд., стереотип. — Москва : Дрофа, 2021. — 224 с. — ISBN 978-5-358-24232-4.

9. Пурышева, Н. С. Физика : 7 класс : учебник для общеобразовательных организаций / Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская. — 5-е изд., стереотип. — Москва : Дрофа, 2021. — 221 с. — ISBN 978-5-358-24237-9.

10. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 1 : Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / гл. ред. В. А. Володин. — Москва : Аванта+, 2003. — 437 с. — ISBN 5-94623-061-7.

Справочная литература

1. Физический энциклопедический словарь / гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Советская энциклопедия, 1984. – 944 с.

2. Физика: большой энциклопедический словарь / гл. ред. А.М. Прохоров. – 4-е изд. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. – 944 с.

3. Химическая энциклопедия: в 5 т. / гл. ред. Н.С. Зефиров. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. – Т. 3: Меди–Полимерные. – 1992. – 639 с.

Электронные ресурсы

1. Википедия – свободная энциклопедия : [сайт]. – URL: https://www.wikipedia.org (дата обращения: 15.09.2025).

2. Онлайн-энциклопедия "Кругосвет" : [сайт]. – URL: https://www.krugosvet.ru (дата обращения: 10.10.2025).

3. Опыты и эксперименты в домашних условиях : [сайт]. – URL: http://www.experiment.edu.ru (дата обращения: 25.10.2025).

4. Открытая физика : [сайт] / под ред. С.М. Козела. – URL: https://physics.ru (дата обращения: 25.10.2025).

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Диаграмма 1. Коэффициент поверхностного натяжения различных жидкостей

Диаграмма 2. Коэффициент поверхностного натяжения различных жидкостей.