Поверхностное натяжение

* * *
Водомерки, как Христос,
Движутся по вОдам…
Появляется вопрос:
Почему и что там?!.


   Наберите в любой поисковой системе Интернета вопрос: почему жидкие тела в невесомости обретают форму шара? – и вам обязательно придёт ответ, суть которого: поверхностное натяжение – главная причина. Как будто никаких других причин нет! Меня удивляет то, что, говоря о шарообразности жидких объектов в невесомости, о шарообразности звёзд и планет в космическом пространстве, никогда не упоминается о ключевой роли давления среды, в которых находятся эти жидкие или аморфные объекты! Да, я говорю о большой величине атмосферного давления на Земле и о колоссальном давлении среды физического вакуума!   

   У меня не было в задумках говорить о поверхностном натяжении. Но в своём комментарии к одной из статей на Дзене я рассказал о своём видении природы поверхностного натяжения, что, якобы, является причиной шарообразности жидких объектов в невесомости. В ответ же получил обвинение в дремучем невежестве. Тогда я попытался объяснить товарищу глубже природу так называемого поверхностного натяжения. Реакции не последовало. Одно из двух: или товарищ решил, что я, действительно, неисправимо дремуч, или, что невероятно, задумался о моём подходе, и нашел в нём что-то утешительное!    

   Природа поверхностного натяжения жидкости с научной точки зрения объясняется так (цитата): «На молекулу, находящуюся в глубине жидкости, со всех сторон равномерно действуют силы межмолекулярного притяжения. На поверхности жидкости эти силы оказываются несбалансированными, из-за чего поверхностные молекулы испытывают действие результирующей силы, направленной внутрь жидкости. Поэтому поверхность жидкости оказывается в состоянии натяжения: она всё время стремится сократиться. Существованием поверхностного натяжения объясняется сферическая форма свободно падающих капель жидкости» (конец цитаты).

   Самый интересный здесь момент – межмолекулярное притяжение. Какова его природа? Как говорят – электростатическая. Давайте тогда утрированно, гипотетически, с чисто электростатической точки зрения, посмотрим на это явление. Молекулы воды, как и атомы, – диполи. Как взаимодействую диполи? Противоположные заряды диполей – «притягиваются». Т. е. как у постоянных дипольных магнитов! А что у постоянных дипольных магнитов? Спины атомных частиц сонаправленны, оси вращения частиц смотрят в одну сторону, это и создаёт единое вихревое дипольное магнитное поле. «Притягиваются» те полюса дипольных магнитов, у которых направление вихревых полей совпадает. Как ни странно, но эти полюса считаются противоположными: северный – южный! «Отталкиваются» те полюса дипольных магнитов, у которых направление вихревых магнитных полей противоположно. Что такое – «притяжение» противоположных полюсов? Вихревые поля одного направления складываются, интерферируют, при этом происходит увеличение динамики элементов среды физ. вакуума. В результате давление и плотность среды физ. вакуума в месте интерференции полей падают. А внешний, более плотный физ. вакуум с бОльшим давлением, сжимает тела магнитов. Когда вихревые поля магнитов разнонаправлены, то интерференции полей, сложения полей не происходит, плотность и давление среды физ. вакуума в месте взаимодействия полей увеличиваются; магниты расталкиваются и пытаются встать сонаправленно. Точно так же, как считается, происходит при взаимодействии молекулярных и атомарных диполей в жидкостях. Но тогда давление и плотность среды физ. вакуума тут играет решающую роль, иначе ничего не выйдет! Своего рода это – микрогравитация!

   В космическом корабле, на орбите вокруг Земли, в невесомости, можно провести такой опыт. Взять тысячи две микроскопических магнитиков, и по одному вбрасывать в атмосферу спутника, для их взаимодействия между собой. Магнитики начнут «слипаться». В конце концов, получится шар из двух тысяч микромагнитиков. Но это случится и тогда, когда в спутнике создать условия вакуума, отсутствия атмосферного давления! А вот с водой такой фокус на орбите, в вакууме, не пройдёт! Точно также в  вакууме и на Земле! Шарообразность капли жидкости в атмосфере на Земле обусловлено не столько вакуумным давлением, а сколько атмосферным давлением! Структура воды не так проста, как кажется, и здесь нет непосредственного взаимодействия отдельных молекул воды между собой, как магнитиков, а есть взаимодействия кластеров, больших групп молекул воды, между собой в соседстве с кластерами молекул газов, растворённых в воде. Так что красивой картинки с магнитиками тут никак не получается! Как и сами молекулы воды, так и кластеры молекул, находятся в постоянной колебательной динамике, никаких взаимодействий магнитных полей с интерференцией тут быть не может. В вакууме вода закипает и испаряется. Вода, как известно, это сжиженный газ; при отсутствии атмосферного давления, вода превращается в газ, в оксид водорода. Поверхностное натяжение, к слову сказать, совсем не мешает воде испаряться в атмосферу. Даже на борту космического корабля, в невесомости, шарик из воды, испаряясь, будет делаться всё меньше и меньше, и, наконец, исчезнет, превратившись в газ, в оксид водорода.   

   Но дело в том, что шарообразную форму принимают в невесомости не только вода со своими дипольными молекулами, но и все прочие жидкости, молекулы которых диполями не являются! Например, подсолнечное масло. Молекула подсолнечного масла – это сложные углеродно-кислородные цепочки, без всякого намёка на полярность. И между тем, при разбрызгивании, капельки масла в невесомости получают сферическую форму. И тут никак сферичность капель масла не объяснить лишь силой поверхностного натяжения. 

   Так что такое – поверхностное натяжение жидкости в условиях атмосферы?! Это сочетание действия на границе двух сред силы атмосферного давления, как основной силы, с силой собственной энергии взаимодействия и давления молекулярных кластеров жидкости. Можно сказать, что поверхностное натяжение жидкости в основном обеспечивает именно атмосферное давление, действующее со всех сторон с одинаковой силой, в сочетании с внутренним давлением жидкости. Механические системы (атомарные, молекулярные) всегда пытаются находиться в состоянии минимальной потенциальной энергии, энергии давления. Это касается как жидкости в невесомости, так и газовой атмосферы с её давлением вокруг жидкости в невесомости, или жидкости на поверхности под действием вакуумного гравитационного давления («силой тяжести»). Капли жидкости в невесомости естественным образом принимают сферическую форму, которая имеет минимально возможную площадь для заданного объёма. Равномерное давление атмосферы со всех сторон на жидкость здесь играет ключевую роль!   

   При нагревании тел постоянных магнитов, они теряют свои магнитные свойства, спины атомных частиц перестают быть сонаправленными, единое магнитное поле исчезает. Как уже говорилось, в воде не может быть статичных межмолекулярных связей, потому что молекулы воды находятся в постоянном тепловом колебательном движении из-за взаимодействия между собой. По существующей теории образования поверхностного натяжения, при нагревании воды до температуры кипения, вообще невозможно образование плёнок поверхностного натяжения, и жидкость в свободном падении, в невесомости, не должна обретать шарообразную форму. Но на опыте, даже при плюс 100 градусов Цельсия, капли воды при свободном падении становятся шарообразны! Это не лишний раз доказывает то, что причиной шарообразности капли воды в свободном падении является именно атмосферное давление, а не поверхностное натяжение жидкости! С другой стороны, так называемые плёнки поверхностного натяжения совсем не мешают воде испаряться при любых температурах, даже при минусовых. Испаряется даже лёд, когда движение молекул воды минимально, и структура воды – кристаллическая, твёрдая! В атмосфере испаряется не только вода, но все жидкие вещества, включая жидкий металл – ртуть! А в вакууме испарение всех жидких веществ идёт ещё более активно, и ртуть – тоже не исключение. Вообще, феномен испарения твёрдых веществ в вакууме, тем более – в космическом вакууме, заслуживает особого внимания! Что там испарение ртути, если в космическом вакууме постепенно испаряются самые плотные атомарные образования – нейтронные звёзды! Этого испарения не могло бы быть, если бы сама среда физ. вакуума не обладала колоссальной энергией давления!   

   Говоря о поверхностном натяжении воды, прибегают к традиционным  примерам с насекомыми-водомерками, или берут пример швейной иголки, или плоской бритвы, свободно лежащими на поверхности воды. Мол, не будь плёнки поверхностного натяжения – не было бы ничего из перечисленного! Но тут упускают ещё один важный момент. У водомерки на брюшке есть сальная железа, которая выделяет жир. И водомерки, периодически поджимая лапки, смазывают их гидрофобным составом. Жир с кожи рук человека есть и на швейной иголке, и на бритве. Жир имеет свойство отталкивать воду.  Обезжирь ножки водомерки, обезжирь иголку и лезвие бритвы – и всё, чудеса с поверхностным натяжением кончатся. Металлическая иголка с молекулами жира, лежащая на плёнке поверхностного натяжения, утонет, если капнуть в воду поверхностно-активное вещество (раствор мыла или синтетическое моющее средство). ПАВ быстро нейтрализуют жир на иголке.   

   А теперь о существе атмосферного давления. Мы живём на дне воздушного океана, окружающего всю Землю. Удерживает атмосферу на поверхности нашей планеты, конечно, силы вакуумного гравитационного давления! Воздушный слой атмосферы, прилегающий непосредственно к Земле, сжат больше всего и, согласно закону Паскаля, передаёт производимое на него давление по всем направлениям. В результате атмосфера своей массой давит на все тела, находящиеся на Земле. Мы тоже находимся на Земле, значит, атмосфера давит и на нас, причём давит со всех сторон. Учёным опытным путём удалось установить, что на каждый квадратный сантиметр человеческого тела воздействует атмосферное давление массой 1,033 килограмма, т. е. действует сила 10 ньютонов. На среднего по размерам человека, атмосфера давит с силой в 150 килоньютонов, или 15 тонн! Такое давление способно раздавить всё живое. Почему же мы его не ощущаем? Объясняется это тем, что давление внутри нашего организма равно атмосферному давлению. Таким образом, внутренне и внешнее давление уравновешиваются. 

   Во власти этого мощного атмосферного давления находятся и жидкости на нашей Земле, где бы они ни были и какими бы они ни были! Вода, растительное масло, керосин, ртуть, жидкий расплавленный металл – все они, оказавшись в состоянии разбрызгивания, фрагментации, обретают шарообразную форму! И определяющим здесь является не поверхностное натяжение жидкости, а именно большое давление окружающей атмосферы, пресловутая эта «потенциальная энергия» материальной среды, которая стремится минимизировать и себя, и все объёмы объектов, в среде находящиеся!

   Когда говорят о причине шарообразности звёзд и планет, то никогда не поминают поверхностное натяжение, мол, тут оно ни при чём! Шарообразность звёзд и планет в космическом пространстве объясняется, как принято считать, гравитацией. Но ведь и тут дело не может обойтись без давления! Шарообразность космических тел, звёзд и планет, точно также обусловлено давлением, только теперь давлением среды физического вакуума. Сила вакуумного давления на много порядков больше атмосферного давления в газовой среде. Все звёзды и планеты, имеющие форму сферы, прошли в своё время стадию жидкого или аморфного состояния. Именно давление физ. вакуума сыграло ключевую роль в деле формообразования звёзд и планет. Твёрдое, кристаллическое вещество – последняя стадия формирования тел атомарной материи! Все будущие звёзды и планеты неизбежно прошли стадии газообразного и жидкого состояния! Именно, будучи жидкими или аморфными, колоссальное вакуумное давление придало телам сферическую форму.      

   Но, кроме больших космических тел сферической формы, в нашей Солнечной системе есть множество малых тел совсем не сферических. Можно предположить, что они образовались в ранний период, когда большие космические тела были ещё в жидком или аморфном состоянии, когда они сталкивались, соударялись, разбрасывая вокруг себя, выкидывая в космос капли расплавленной магмы. И эти малые тела – застывшие брызги периода формирования больших планет. Да, эти застывшие «брызги» могут достигать десятков и даже сотен километров в поперечнике! Из-за относительно малой массы и аморфной природы, вакуумное гравитационное давление не смогло придать этим «брызгам» сферическую форму. Так что астероиды порой имеют совершенно необычные формы!   

   В заключение ещё раз хотелось бы вернуться к внутреннему давлению воды. На поверхности водоёма лежит большой кусок пенопласта. Но ведь никому не придёт в голову связывать это с плёнкой поверхностного натяжения воды! Что не даёт пенопласту погрузиться в воду и утонуть? Правильно, разность плотностей! У воды плотность значительно больше, чем у пенопласта, и давление воды выталкивает кусок пенопласта наружу, в атмосферу. Вода считается практически несжимаемой. Но это на поверхности Земли, в условиях нашей атмосферы. Тогда как в самых глубоких местах мирового океана давление воды достигает больших величин (1100 атм.), при этом плотность воды увеличивается лишь на несколько процентов. Вода держит на своей поверхности не только сухую опавшую листву и деревяшки, но и гигантские ледовые айсберги! Да, всего лишь в силу разности плотностей материалов и давления воды!       

   Эффект поверхностного натяжения воды в опытах мы видим там, где есть хорошая смачиваемость поверхностей тел (стекло, металл, гидрофильные поверхности). И там, где смачиваемость плохая (воск, тефлон, жирные поверхности, гидрофобные поверхности). А в конечном итоге всё сводится к межмолекулярным взаимодействиям, к собственным энергиям взаимодействующих молекул и атомов. И всё это на фоне большого атмосферного давления! Без давления атмосферной среды все эти эффекты теряют под ногами почву!..   



   Дополнение

   От Виктора Бабинцева получил интересный материал в развитие темы. Благодарен Виктору, и вношу его материал в свой опус:

   «Известно, что оконные стёкла, будучи смоченными водой и прижатыми друг к другу, «слипаются намертво». Голландский физик Ван дер Ваальс объяснил этот эффект поверхностным натяжением воды: мол, оно-то и является причиной слипания стёкол. Но мы помещаем слипшиеся стекла в барокамеру и видим: при понижении давления воздуха стёкла распадаются. Далее. Смазываем стекла любым жидким маслом и видим: стёкла слипаются так же сильно, как и смоченные водой. Отсюда: причиной прилипания стёкол является симметричное атмосферное давление и эффект прижатия, а роль жидкостей в этих опытах сводится к вытеснению воздуха из пространства между гладкими поверхностями. Вот и все! Ван дер Ваальс заумно объяснял то, чего нет, что и требовалось доказать. То есть мы доказали, что новый опыт всегда умнее всех теоретиков; что именно новый опыт всегда и нужно искать в объяснениях чего-либо, а не умничать и не мудрить.
   Водомерка бегает по поверхности воды точно так же, как бегает зимой по рыхлому снегу охотник на широких лыжах…».