Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила (Роджерс) - страница 134
Краевой угол и молекулярные силы
Чтобы объяснить природу краевого угла с точки зрения молекулярных сил, рассмотрим силы притяжения, действующие на молекулу С, которая находится в том месте, где лужица жидкости соприкасается с твердым столом (фиг. 120).
Фиг. 120.Силы, действующие на молекулу, находящуюся на краю небольшой лужицы жидкости.
>Лужица находится на столе, который сильно притягивает молекулы жидкости. 1 — короткодействующие силы; 2 — дальнодействующее притяжение.
Во-первых, на нее действует притяжение соседей, находящихся внутри слоя жидкости; равнодействующая этих сил равна F>1 и направлена по биссектрисе угла клина (направление подсказано симметрией). Во-вторых, ее притягивают молекулы твердого стола с равнодействующей F>2, которая перпендикулярна столу (снова по соображениям симметрии).
Векторное сложение сил F>1 и F>2 и дает их равнодействующую R; поверхность жидкости должна расположиться перпендикулярно R.
Это схематически изображено на фиг. 120, где F>1 дано намного меньше F>2, чтобы показать, что молекула С притягивается своими собратьями меньше, чем столом. В таком случае краевой угол невелик и жидкость смачивает стол. Можно сказать, что сильно притягивающий стол побуждает жидкость растекаться. Таким образом, смачивание зависит от относительной силы молекулярного притяжения. Если молекулы жидкости притягиваются молекулами твердого тела сильнее, чем соседними молекулами самой жидкости, жидкость будет смачивать стол и растекаться.
С другой стороны, если молекула жидкости предпочитает своих собратьев молекулам стола, силу F>1 следует нарисовать больше F>2 и картина примет такой вид, как на фиг. 121, где показан большой краевой угол. Для «водоотталкивания», по-видимому, требуется, чтобы молекулы жидкости испытывали со стороны соседних молекул стола меньшее притяжение, чем со стороны соседних молекул жидкости.
Фиг. 121.Силы, действующие на молекулу, находящуюся на краю небольшой лужицы жидкости.
>Лужица находится на столе, который слабо притягивает молекулы жидкости.
Водоотталкивание и смачивание
Таково молекулярное объяснение смачивания и краевого угла.
Объяснение? Разве это не просто волшебная сказка, выдуманная для того, чтобы свести концы с концами? Нет, это объяснение совсем не так плохо, поскольку оно основано на молекулярных представлениях, которые используются в других областях физики и химии. Кроме того, оно позволяет сделать полезные рекомендации:
1) Для улучшения смачивания (мечта прачек) надо сделать F>2 больше, чем F>1, т. е. надо, чтобы молекулы жидкости притягивались твердым телом сильнее, чем своими соседями. Это можно осуществить, применяя молекулы-посредники, которыми на практике являются молекулы мыла. Таким образом, мы раскрыли секрет мыла и указали путь к созданию новых синтетических моющих средств.