Как капиллярный эффект зависит от длины трубки?

Капиллярный эффект в жидкости возникает на границе двух сред – влаги и газа. Он приводит к искривлению поверхности, делая ее вогнутой либо выпуклой.

Капиллярный эффект воды

Когда сосуд наполнен Н₂О, ее поверхность ровная. Однако у стенок возникает изгиб. Если они смачиваются, поверхность становится вогнутой, если они сухие – выгнутой. Притяжение молекул Н₂О к стенкам сосуда больше, чем друг к другу. Этим и объясняется капиллярный эффект. Сила поднимает молекулы Н₂О до того момента, пока ее не уравновесит гидростатическое давление.

Наблюдения

В рамках экспериментов исследователи пытались определить, как капиллярный эффект зависит от длины трубки. В ходе наблюдений было выявлено, что от длины трубки он не зависит, значение имеет толщина сосуда. В узких пространствах расстояние между стенками небольшое. В результате выгнутости они соединяются друг с другом. Суммируется и капиллярный эффект. Соответственно, уровень Н₂О в тонком сосуде может быть выше, чем в широком.

Грунт

В любой почве присутствуют поры. В них также возникает капиллярный эффект. Поры – это те же сосуды, только очень маленькие. Во всех грунтах он наблюдается в той или иной степени.

Подъем молекул Н₂О происходит, несмотря на силу тяжести. Высота поднятия зависит от типа почвы. На глинистых грунтах она может составлять до 1,5 м, а на песчаных – до 30 см. Такая разница связана с размером пор. В песчаных грунтах они очень большие, соответственно, капиллярная сила небольшая. Глинистые частицы имеют меньший размер. Значит, поры в грунте получаются меньше, а эффект – сильнее.

Практические моменты

Капиллярный эффект в почве необходимо учитывать при проектировании и закладке фундамента. Как выше было сказано, в глинистом грунте влага может подняться на 1,5 м. Если фундамент будет заложен ниже этой отметки, то он будет постоянно находиться в воде. Это, в свою очередь, негативно отразится на его несущей способности. Для защиты фундамента от увлажнения необходима прокладка гидроизоляции.

Бетон

Этот материал используется при сооружении фундамента. В бетоне, как и в грунте, также возможен капиллярный эффект, потому что этот материал имеет пористую структуру. По порам влага распространяется вглубь и вверх.

Если подошва фундамента будет опираться на влажный грунт, вода будет подниматься, дойдет до цоколя и пойдет выше. Это может привести к разрушению всех конструкций. Для предотвращения таких последствий гидроизоляция прокладывается между грунтом и подошвой фундамента, цоколем и стенами дома.

Ультразвуковой капиллярный эффект

Это явление было обнаружено академиком Коноваловым. Ученый выполнил достаточно простой эксперимент. К излучателю генератора он прикрепил сосуд с водой, опустив в него капиллярную трубку. По естественным закономерностям сила начала воздействовать на Н₂О, вызвав ее поднятие на определенный уровень. После включения ультразвукового генератора вода делала резкий рывок вверх. Этот опыт академик повторил, добавив в сосуд краситель. После включения генератора в трубке четко были видны разрежения и узлы стоячих волн.

Выводы

Академик Коновалов установил, что если вода в капилляре колеблется под воздействием ультразвукового источника, то эффект поднятия ее уровня резко увеличивается. Высота столба становится больше иногда в несколько десятков раз. Вместе с тем увеличивается и скорость подъема.

Ученый экспериментально смог доказать, что жидкость толкают не капиллярные силы и радиационное давление, а стоячие волны. Ультразвук постоянно сжимает столб и поднимает его. Процесс будет идти до того момента, пока напор, возникающий под влиянием волн, не уравновесится уровнем жидкости.

Применение

Ультразвуковой эффект используется в неразрушающих контрольных методах проверки при выпуске полупроводникового оборудования. В прежние времена для контроля герметичности корпуса транзистора прибор помещали на трое суток в ацетоновую ванну. Использование же ультразвука позволяет существенно сократить время до 3-9 минут. Открытие Коновалова применяется при пропитке обмоток электродвигателей изоляционными составами, при окраске тканей – везде, где необходимо проникновение влаги в поры.

Влияние вибрации

В процессе резки металлов, в особенности на высоких скоростях, применяются смазочные охлаждающие жидкости. За счет них обеспечивается уменьшение трения, снижение температуры инструмента, повышение его износостойкости. Известно, что жидкость может проникать под резец. Как это происходит, если он плотно прижимается к детали при давлении до 200 кг/см², а при таких условиях смазка наоборот должна вытесняться из-под резца?

Объяснить это явление капиллярным эффектом не удавалось. В первую очередь, сила и скорость поднятия влаги очень мала. Кроме этого, они обусловлены поверхностным натяжением. Высота подъема значительно уменьшается при повышении температуры, которая в зоне резания может доходить до 300°С. Коновалову удалось доказать, что, кроме капиллярного эффекта, влияние оказывает вибрация станка. Она возникает в процессе обработки заготовки. Эта вибрация обладает большей частотой и малой амплитудой.

Объяснение некоторых явлений

Достаточно продолжительное время ученым не удавалось объяснить цветение королевской примулы перед землетрясением. Цветок это растет на о. Ява. И местные жители считают его предсказателем беды. Как считает Коновалов, мощным толчкам коры предшествуют незначительные разночастотные, ультразвуковые, в том числе, колебания. Они способствуют ускорению перемещения питательных соединений по элементам растения, активизируют обменные процессы, что и обеспечивает цветение.

Заключение

Как видите, капиллярный эффект – одно из наиболее распространенных природных явлений. Стебли, листья, ствол, ветки разных растений пронизаны огромным количеством каналов. По ним ко всем органам доставляются питательные соединения. Капиллярный эффект используется в самых разных сферах человеческой деятельности: от смоления шпал и создания специальных керамических изделий, пропитанных расплавленными металлами, до соления огурцов.