Материал: kompendium_po_fizike
41
жидкость
»
наблюдаются
явления
смачивания
или
несмачивания
.
Если
на
границе
раздела
сред
молекулы
жидкости
лучше
притягиваются
друг
к
другу
,
чем
к
молекулам
соседней
среды
,
то
наблюдается
несмачивание
.
Если
же
на
границе
раздела
сред
молекулы
притягиваются
друг
к
другу
слабее
,
чем
к
молекулам
соседней
среды
,
то
наблюдается
смачивание
.
Количественно
смачивание
описывается
т
.
н
.
краевым
углом
–
углом
между
поверхностью
и
внутренней
частью
смачивающей
или
несмачивающей
жидкости
(
рисунок
17).
При
90
говорят
о
смачивании
,
90
–
о
несмачивании
,
и
при
0
–
об
идеальном
смачивании
(
жидкость
растекается
по
поверхности
мономолекулярным
слоем
).
Под
действием
сил
поверхностного
натяжения
поверхность
жидкости
искривляется
,
возникает
дополнительное
давление
со
стороны
поверхности
на
жидкость
, –
это
давление
называется
давлением
Лапласа
.
Направлено
оно
к
центру
кривизны
r
поверхности
и
определяется
по
формуле
:
r
p
2
.
В
тонких
трубках
,
погруженных
в
сосуды
,
наблюдается
подъём
(
если
жидкость
смачивает
трубку
)
или
опускание
уровня
жидкости
(
если
жидкость
не
смачивает
трубку
) –
это
происходит
оттого
,
что
давление
Лапласа
уменьшает
(
при
смачивании
)
или
увеличивает
(
при
несмачивании
)
давление
над
жидкостью
в
трубке
.
Эти
явления
называются
капиллярными
.
Высота
подъёма
или
опускания
уровня
жидкости
в
капилляре
определяется
по
θ
θ
Рисунок
17.
Краевой
угол
при
смачивании
(
справа
)
и
несмачивании
(
слева
)
42
формуле
Жюрена
:
gR
h
cos
2
,
где
–
коэффициент
поверхностного
натяжения
жидкости
,
–
краевой
угол
,
–
плотность
жидкости
,
R
–
радиус
трубки
.
Как
видно
из
данной
формулы
,
капиллярные
явления
будут
проявляться
в
трубках
с
достаточно
малым
внутренним
радиусом
.
Рассмотрим
пузырёк
газа
в
кровеносном
сосуде
.
Если
радиусы
кривизны
передней
и
задней
поверхности
пузырька
одинаковы
,
то
дополнительные
лапласовы
давления
на
эти
поверхности
также
одинаковы
,
и
дополнительное
давление
,
обусловленное
поверхностными
натяжениями
,
будет
равно
нулю
,
т
.
е
.
0
1
2
p
p
.
Такой
пузырёк
будет
двигаться
далее
по
кровеносной
системе
вместе
с
кровотоком
под
действием
давления
,
создаваемого
сердцем
.
Если
же
радиусы
кривизны
поверхностей
различны
,
то
лапласовы
давления
не
будут
скомпенсированы
0
1
2
p
p
,
и
из
-
за
этого
дополнительное
давление
,
обусловленное
поверхностными
натяжениями
поверхностей
пузырька
,
может
быть
направлено
против
движения
кровотока
(
рисунок
18).
Если
это
дополнительное
давление
будет
равно
давлению
,
создаваемому
сердцем
в
данном
кровеносном
сосуде
,
то
пузырёк
прекратит
движение
и
создаст
препятствие
движению
крови
–
сосуд
будет
закупорен
, –
это
явление
называется
газовой
эмболией
.
4.
Поверхностные
явления
в
альвеолах
.
Сурфактант
Альвеолы
(
которые
являются
основной
структурной
единицей
лёгких
)
смочены
изнутри
жидкостью
.
Если
бы
это
была
1
p
2
p
1
p
2
p
Рисунок
18.
Механизм
развития
эмболии
43
обычная
жидкость
(
например
вода
),
то
при
выдохе
,
сопровождающемся
уменьшением
радиуса
альвеолы
,
обратно
пропорционально
бы
увеличивалось
лапласово
давление
,
направленное
к
центру
альвеолы
.
Из
-
за
этого
и
малого
радиуса
альвеол
при
выдохе
лапласово
давление
было
бы
настолько
велико
,
что
могло
бы
превосходить
давление
,
создаваемое
дыхательными
мышцами
для
растяжения
альвеол
для
вдоха
–
дыхание
человека
было
бы
сильно
затруднено
.
Поэтому
поверхность
альвеол
смочена
поверхностно
-
активной
жидкостью
–
лёгочным
сурфактантом
.
Он
синтезируется
из
плазмы
крови
пневмоцитами
второго
типа
и
состоит
в
основном
из
фосфолипидов
(90%),
а
также
белков
и
полисахаридов
.
Коэффициент
поверхностного
натяжения
сурфактанта
изменяется
в
зависимости
от
радиуса
альвеолы
(
т
.
е
.
)
(
r
),
так
,
что
при
уменьшении
её
радиуса
уменьшается
и
сурфактанта
(
до
1/12
от
воды
),
а
при
увеличении
радиуса
–
наоборот
(
до
1/2
воды
).
С
одной
стороны
,
это
препятствует
чрезмерному
растяжению
альвеолы
при
вдохе
,
с
другой
–
спаданию
альвеолы
при
выдохе
.
Синтез
сурфактанта
может
быть
нарушен
при
некоторых
заболеваниях
,
недоношенности
плода
,
ожогах
лёгких
–
в
этом
случае
требуется
введение
его
заменителей
.
5.
Методы
измерения
коэффициента
поверхностного
натяжения
Все
методы
определения
коэффициента
поверхностного
натяжения
делятся
на
два
вида
:
статические
и
динамические
.
При
статических
методах
определяют
уже
сформированной
поверхности
,
находящейся
в
равновесном
состоянии
;
при
динамических
–
поверхности
,
находящейся
в
неравновесном
состоянии
(
например
,
при
её
разрушении
или
формировании
).
Рассмотрим
некоторые
методы
определения
.
1.
Капиллярный
метод
.
Основан
на
том
,
что
при
смачивании
(
несмачивании
)
капилляра
исследуемой
жидкостью
происходит
подъём
(
опускание
)
жидкости
на
определённую
44
высоту
.
определяется
из
формулы
Жюрена
:
cos
2
ghR
,
где
–
краевой
угол
,
–
плотность
жидкости
,
R
–
радиус
трубки
,
h
–
высота
подъёма
(
опускания
)
жидкости
.
2.
Метод
Ребиндера
(
метод
определения
максимального
давления
в
пузырьке
).
В
данном
методе
в
исследуемую
жидкость
вводится
капилляр
,
сообщающийся
с
атмосферой
.
Над
жидкостью
понижают
давление
,
и
через
капилляр
в
неё
начинает
проникать
атмосферный
воздух
,
который
создаёт
пузырёк
в
исследуемой
жидкости
.
Росту
пузырька
препятствует
поверхностное
натяжение
жидкости
,
и
в
момент
отрыва
пузырька
от
капилляра
оно
будет
максимальным
и
равным
разности
давлений
,
стремящейся
вытолкнуть
пузырёк
из
капилляра
.
Эта
разность
давлений
фиксируется
,
например
,
с
помощью
u-
образного
манометра
.
Так
как
в
данном
методе
проблематично
определить
радиус
выдуваемого
пузырька
,
используют
эталонную
жидкость
,
которой
известен
(
например
дистиллированную
воду
).
Искомый
определяется
по
формуле
:
h
h
0
,
где
0
–
эталонной
жидкости
,
0
h
–
максимальная
разность
уровней
в
манометре
для
эталонной
жидкости
,
h
–
максимальная
разность
уровней
в
манометре
для
исследуемой
жидкости
.
3.
Сталагмометрический
метод
(
метод
счёта
капель
).
В
основе
данного
метода
лежит
то
,
что
в
момент
отрыва
капли
жидкости
от
вертикальной
тонкой
трубки
сила
тяжести
капли
равна
силам
поверхностного
натяжения
,
удерживающим
каплю
на
краю
капилляра
.
Коэффициент
поверхностного
натяжения
определяется
по
формуле
:
r
mg
2
,
где
m
–
масса
капли
жидкости
,
r
–
радиус
капилляра
.
4.
Метод
отрыва
кольца
.
В
основе
данного
метода
лежит
следующая
идея
:
для
того
,
чтобы
оторвать
от
поверхности
жидкости
кольцо
(
которое
смачивается
жидкостью
)
нужно
приложить
силу
,
направленную
против
силы
тяжести
кольца
и
45
сил
поверхностного
натяжения
.
в
данном
методе
определяется
по
формуле
:
)
(
2
R
r
mg
F
,
где
F
–
сила
отрыва
кольца
от
поверхности
,
m
–
масса
кольца
,
r
–
внутренний
радиус
кольца
,
R
–
внешний
радиус
кольца
.