Исследовательская работа по теме «Капиллярные явления в нашей жизни»

Научное общество учащихся «Поиск» Пятая районная научно-практическая конференция школьников Секция «Физика» Исследовательская работа по теме «Капиллярные явления в нашей жизни» Выполнила: Анищенко Татьяна Ученица 11 класса МОУ «Сергеевская средняя общеобразовательная школа» Оконешниковского района Омской области Руководитель: Новак Елена Николаевна Учитель физики МОУ «Сергеевская средняя общеобразовательная школа» Оконешниковского района Омской области Оконешниково 2007 год Оглавление. Введение с. 3 Теоретическая часть А) Явление смачиваемости и несмачиваемости с. 4 Б) Капиллярные явления с. 5 В) Капиллярное поднятие жидкости, смачивающей стенки с. 6 Г) Перемещение жидкости в капилляре под действием разности капиллярных давлений с. 7 Д) Объяснение капиллярных явлений с. 8 4. Роль капиллярных явлений в природе и технике. с. 9 5. Практическая часть А) Исследование качества бумажных салфеток, с. 9 туалетной бумаги, бумажных носовых платков, бумажных полотенец разных производителей на предмет качества впитывания влаги. 6. Заключение с. 12 7. Список литературы с. 14 8. Примечание с. 15 1. Введение Мир, в котором мы живем, очень многообразен и интересен. Нас окружают много вещей, на первый взгляд, кажущиеся обыкновенными, а если к ним присмотреться, то можно найди в этих обыкновенных предметах, много необыкновенного и интересного. Кто из нас не пользовался бумажными салфетками, бумажными полотенцами, бумажными носовыми платками, туалетной бумагой. А почему они впитывают влагу? Почему разные салфетки это делают по-разному: одни хорошо впитывают, а другие не очень? От чего это зависит? Почему моя младшая сестренка любит пользоваться бумажными полотенцами, а не бумажными салфетками? Эти вопросы меня очень заинтересовали, и я решила подробнее о них узнать. Оказалось, что все это связано с явлениями смачиваемости и несмачиваемости, с капиллярными явлениями, которые я изучала в 10 классе, но сейчас решила это сделать более углубленно. В ходе изучения теоретического вопроса, у меня возникло желание сравнить все эти изделия по качеству впитывания влаги. Оказалось, что это легко определить, рассчитав размер капилляров, пронизывающих все эти изделия и ответить на вопрос сестры, а чем отличаются эти бумажные салфетки, бумажные полотенца, бумажные носовые платочки, туалетная бумага. Еще меня заинтересовал вопрос о качестве продукции разных предприятий, выпускающих предметы обихода, поэтому я поставила следующую цель моей работы. Цель работы: выяснить качество впитывания влаги бумажных салфеток, полотенец, туалетной бумаги, бумажных носовых платочков, по измерению высоты поднятия в них влаги и по расчету радиуса капилляра. Сравнить изделия выпускаемые разными производителями. Объект исследования: бумажные салфетки, полотенца, туалетная бумага, бумажные носовые платочки разных производителей. Задачи: изучить литературу по данному вопросу смачиваемости и несмачиваемости, капиллярности; узнать, какую роль играют капиллярные явления в природе и технике; провести эксперимент по определению радиуса капилляра бумажных салфеток, полотенец, туалетной бумаги, бумажных носовых платочков разных производителей. Метод: написания работы сравнительно-аналитический, практический. Теоретическая часть А) Явление смачиваемости и несмачиваемости Все, очевидно, знают, что даже маленькая капля воды растекается по чистой поверхности стеклянной пластинки, покрывая её тонким слоем. В то же время капля воды на парафинированной пластинке, как и на поверхности листьев некоторых растений, не растекается, а имеет почти правильную форму шара. Расплавленная капелька олова, помещённая на деревянную пластинку, принимает форму шара. Но если провести паяльником с каплей олова по чистой меди, то олово растекается по поверхности листа. Жидкость, которая растекается тонкой плёнкой по твёрдому телу, называют смачивающей данное твёрдое тело. Жидкость, которая не растекается, а стягивается в каплю, называют несмачивающей это тело. Чем же объяснить явления смачиваемости и несмачиваемости? Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твёрдого тела. Линия, ограничивающая поверхность капли на пластинке является границей поверхностей трёх тел: жидкости, твёрдого тела и газа. Поэтому в процессе установления равновесия капли жидкости на границе этих тел на каждый элемент этой границы будут действовать три силы : сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом Fжг, сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твёрдым телом Fжт, сила поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с газом Fтг. Будет ли жидкость растекаться по поверхности твёрдого тела, вытесняя с него газ, или, наоборот, соберётся в каплю, зависит от соотношения величин Fжт,Fтг,Fжг: растекание жидкости на поверхности твёрдого тела произойдёт, если Fтг>Fжт+Fжг*cosa,где Fжгcosa - проекция силы поверхностного натяжения Fжг на горизонтальную поверхность. Угол а, образованный направлением силы поверхностного натяжения Fжг, действующей по касательной к поверхности жидкости и поверхностью твёрдого тела, называется краевым углом. Он всегда отсчитывается внутрь жидкости. В случае смачивания угол а острый. При а=0 происходит полное растекание жидкости - полное смачивание. Если Fтг Б) Капиллярные явления Капиллярные явления - физические явления, обусловленные поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся сред. К капиллярным явлениям относят явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром. Искривление поверхности ведёт к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления р. Капиллярное давление создаётся силами поверхностного натяжения, действующими по касательной к поверхности раздела. Искривление поверхности раздела ведёт к появлению составляющей, направленной внутрь объёма одной из контактирующих фаз. Для плоской поверхности раздела такая составляющая отсутствует и р=0. Капиллярные явления охватывают различные случаи равновесия и движения жидкости под действием сил межмолекулярного взаимодействия и внешних сил (в первую очередь, силы тяжести). В простейшем случае, когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. Так, в условиях невесомости ограниченный объём жидкости, не соприкасающийся с другими телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объёме и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна. Форму шара жидкость принимает и в том случае, если она находится в другой, равной по плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой). Свойства систем, состоящих из множества мелких капель или пузырьков (эмульсии, жидкие аэрозоли, пены), и условия их образования во многом определяются кривизной поверхности частиц, то есть капиллярными явлениями. Не меньшую роль капиллярные явления играют и при образовании новой фазы: капелек жидкости при конденсации паров, пузырьков пара при кипении жидкостей, зародышей твёрдой фазы при кристаллизации. При контакте жидкости с твёрдыми телами на форму её поверхности существенно влияют явления смачиваемости, обусловленные взаимодействием молекул жидкости и твёрдого тела. В) Капиллярное поднятие жидкости, смачивающей стенки(вода в стеклянном сосуде и капилляре) На рисунке показан профиль поверхности жидкости, смачивающей стенки сосуда. Смачивание означает, что жидкость сильнее взаимодействует с поверхностью твёрдого тела, чем находящийся над ней газ. Силы притяжения, действующие между молекулами твёрдого тела и жидкости, заставляют её подниматься по стенке сосуда, что приводит к искривлению примыкающего к стенке участка поверхности. Это создаёт отрицательное капиллярное давление, которое в каждой точке искривлённой поверхности в точности уравновешивает дополнительное давление, вызванное подъёмом уровня жидкости. Гидростатическое давление в объёме жидкости при этом изменений не претерпевает. Если сближать плоские стенки сосуда таким образом, чтобы зоны искривления начали перекрываться, то образуется вогнутый мениск - полностью искривлённая поверхность. В жидкости капиллярное давление отрицательно, под его действием жидкость всасывается в щель до тех пор, пока вес столба жидкости (высотой h) не уравновесит действующее капиллярное давление р. В состоянии равновесия (1-2)gh= p =212/r, где 1 и 2 - плотности жидкости и газа, g - ускорение свободного падения. Это выражение, известное как формула Жюрена, определяет высоту h капиллярного поднятия жидкости, полностью смачивающей стенки капилляра. Жидкость, не смачивающая поверхность, образует выпуклый мениск, что вызывает её опускание в капилляре ниже уровня свободной поверхности (h<0). Капиллярное впитывание играет существенную роль в водоснабжении растений, передвижение влаги в почвах и других пористых телах. Капиллярная пропитка различных материалов широко применяется в процессах химических технологий. Искривление свободной поверхности жидкости под действием внешних сил обусловливает существование капиллярных волн ("ряби" на поверхности жидкости). Капиллярные явления при движении жидких поверхностей раздела рассматривает физико-химическая гидродинамика. Движение жидкости в капиллярах может быть вызвано разностью капиллярных давлений, возникающей в результате различия кривизны поверхности жидкости. Поток жидкости направлен в сторону меньшего давления: для смачивающих жидкостей - к мениску с меньшим радиусом кривизны. Г) Перемещение жидкости в капилляре под действием разности капиллярных давлений(r1>r2) Пониженное, в соответствии с уравнением Кельвина, давление пара над смачивающими менисками является причиной капиллярной конденсации жидкостей в тонких порах. Отрицательное капиллярное давление оказывает стягивающее действие на ограничивающие жидкость стенки. Это может приводить к значительной объёмной деформации высокодисперсных систем и пористых тел - капиллярной контракции. Так, например, происходящий рост капиллярного давления при высушивании приводит к значительной усадке материалов. Многие свойства дисперсных систем (проницаемость, прочность, поглощение жидкости) в значительной мере обусловлены капиллярными явлениями, так как в тонких порах этих тел реализуются высокие капиллярные давления. Капиллярные явления впервые были открыты и исследованы Леонардо да Винчи(1561г), Б. Паскалем(17век) и Дж. Жюреном (Джурин, 18 век) в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений развита в работах П. Лапласа (1806 г.), Т. Юнга (Янг,1805 г.), Дж.У.Гиббса (1875 г.) и И.С. Громеки (1879, 1886 гг.) Д) Как объяснить капиллярные явления? Если жидкость полностью смачивает твёрдое тело (а=0), то со стороны жидкости на линию её соприкосновения с твёрдым телом, длина которой 2ПR , действует направленная вниз сила поверхностного натяжения, модуль которой равен F=2r, где r - радиус капилляра, - коэффициент поверхностного натяжения. Со стороны твёрдого тела на жидкость действует такая же по модулю сила F1, направленная вверх ( согласно третьему закону Ньютона). Она и вызывает подъём жидкости в капилляре на такую высоту h, при которой сила тяжести Fт, действующая на весь поднятый столб жидкости, равна по модулю силе F1, а , следовательно, и силе поверхностного натяжения F: F=Fт Отсюда 2=mg. Масса поднятого столба жидкости равна m=Vg=, где - плотность жидкости, V - объём поднятого столба. Следовательно 2 или h = - формула поднятия жидкости в капилляре. Из формулы нетрудно заметить, что жидкости, смачивающие материал, из которого сделан капилляр, будут в нем подниматься (вода и стекло). И наоборот: жидкости, не смачивающие капилляр, будут в нем опускаться (стекло и ртуть). Кроме того, высота подъема (опускания) жидкости зависит от толщины трубки: чем тоньше капилляр, тем больше высота поднятия (опускания) жидкости. 4. Роль капиллярных явлений в природе и технике Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с питанием и дыханием организма. Стволы деревьев, ветви растений пронизаны огромным числом капиллярных трубочек, по которым питательные вещества поднимаются до самых верхних листочков. Корневая система растений оканчивается тончайшими нитями - капиллярами. И сама почва, являющаяся источником питания для корня, может быть представлена как совокупность капиллярных трубочек, по которым, в зависимости от её структуры и обработки, быстрее или медленнее поднимается к поверхности вода с растворенными в ней веществами. Уменьшая диаметр почвенных капилляров путём уплотнения почвы, то есть к зоне испарения, и этим ускорить высушивание почвы. Наоборот, разрыхляя поверхность почвы и разрушая тем самым систему почвенных капилляров, можно задержать приток воды к зоне испарения и замедлить высушивание почвы. Именно на этом основаны известные агротехнические приёмы регулирования водного режима почвы - прикатка и боронование. По капиллярным каналам в стенках зданий поднимается грунтовая вода (в отсутствии гидроизоляции); по капиллярам фитиля поднимаются смазочные вещества (фитильная смазка); на явлении капиллярности основано использование промокательной бумаги и т. д. Я узнала, что в организме человека тоже есть много капилляров, ведь кровеносные сосуды – это не что иное, как капилляры, по которым течет кровь. Причем, чем дальше от сердца идут сосуды, тем тоньше они становятся. Так общая площадь всех капилляров составляет 3200 см, а площадь аорты 8 см, т.е. площадь капилляров больше площади аорты в 400 раз. Соответственно скорость кровотока падает от 20 см/с в начале аорты до 0,05 см/с в капилляре. Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а его длина менее 0,5 мм. В теле взрослого человека имеется до 160 миллиардов капилляров. Общая длина капилляров достигает 60000 – 80000 км. Через каждый квадратный миллиметр поперечного сечения сердечной мышцы с среднем проходит до 2000 капилляров. 5. Практическая часть Изучив литературу, я провела следующий эксперимент. Взяла наборы бумажных салфеток, туалетной бумаги, бумажных носовых платков, бумажных полотенец разных производителей. Вынула по одному экземпляру и изготовила образцы для исследования. Для этого вырезала из них полоски длиной 10 см и шириной 2 см. На расстоянии 3 см от конца образца провела линию. Взяла сосуд с водой и по очереди стала опускать образцы в воду, так чтобы уровень воды совпадал с проведенной линией. После того, как вода переставала подниматься по образцу, я его вынимала и измеряла высоту поднятия жидкости от прочерченной линии до сухого участка. Это заносила в таблицу. Такие опыты я провела с каждым образцом. И у меня получились такие данные. Производитель Высота поднятия жидкости (см) Рассчитанный по формуле радиус капилляра (см) Оценка качества впитывания влаги Туалетная бумага 423808, Россия Республика Татарстан Г.Набережные Челны ЗАО р «Народное предприятие Набережночелнинский картонно-бумажный комбинат» 1,7 0,09 4 Российская Федерация Г.Омск Ул.Заозерная, 3/85 ООО «Велеск» 3 0,05 5 Бумажные платочки Германия Delicarta S.P.A porcari Made in EU 2,7 0,055 4 ООО «Маден-Торг» по заказу ООО «Коттон Клаб» 113095 г.Москва ул.Пятницкого 70/41 4,5 0,033 5 ООО «Бумажная фабрика» Г.Черкесск 2,3 0,065 3 Бумажные салфетки Российская Федерация Г.Омск Ул.Заозерная, 3/85 ООО «Велеск» 4 0,00037 6 И.П.Руденко У.А.644018 Г.Омск Ул.5 Кордная 65а 2,5 0,0006 5 Россия Г.Калининград Правая Набережная 25 СП АО «Цепрусс» 1,0 0,0015 4 ПБОЮЛ Шкапин А.В. Свидетельство ОК №15347 РОсссия г.Омск ул.1 Казахстанская 3 0,5 0,003 3 ПБОЮЛ Шкапин А.В. Свидетельство ОК №15347 РОсссия г.Омск ул.Б.Хмельницкого 0,7 0,212 1 423808, Россия Республика Татарстан Г.Набережные Челны ЗАО р «Народное предприятие Набережночелнинский картонно-бумажный комбинат» 1,4 0,106 2 Бумажные полотенца «Сясьский» Ц.Б.К. 1,2 0,124 4 ПБОЮЛ Шкапин А.В. Свидетельство ОК №15347 Россия г.Омск ул.1 Казахстанская 3 1,5 0,0993 5 Из таблицы следует, что лучшим качеством впитывания обладает туалетная бумага, произведенная в г.Омске ООО «Велеск»; бумажные салфетки, произведенные в г.Омске ООО «Велеск»; бумажные платочки, произведенные ООО «Маден-Торг» по заказу ООО «Коттон Клаб» 113095 г.Москва ул.Пятницкого 70/41; бумажные полотенца, произведенные ПБОЮЛ Шкапин А.В. г. Омск ул.1 Казахстанская 3 6. Заключение В результате своего исследования я: 1. Углубила свои знания по явлениям смачиваемости и несмачиваемости, капиллярности; 2. Узнала, где эти явления встречаются в природе и технике; 3. Научилась выводить формулу высоты поднятия жидкости в капилляре; 4. Узнала, что высота поднятия жидкости в капилляре зависит от рода жидкости, от радиуса капилляра; 5. Научилась находить радиус капилляра по высоте поднятия жидкости в образце; 6. Сравнила качество бумажных салфеток, туалетной бумаги, бумажных носовых платков, бумажных полотенец разных производителей на предмет качества впитывания влаги и отметила, что наилучшее качество впитывания имеет та продукция, у которой меньше радиус капилляра. Хотелось бы рекомендовать всем производителям при производстве бумажной продукции учитывать эту особенность. 7. Ответила на вопрос моей сестренки, почему бумажные полотенца могут лучше впитывать влагу, чем бумажные салфетки, т.к. у них меньше радиус капилляра и жидкость поднимается в них на большую высоту; 8. Написала письма лучшим производителям со словами благодарности за их продукцию. Мои исследования могут быть использованы на уроках физики при изучении темы «Капиллярные явления» или на факультативных занятиях по этому предмету и проведение фронтальной лабораторной работы «Расчет радиуса капилляра в бумажных изделиях». А вопрос о капиллярных явлениях в организме человека на занятиях по биологии. Я бы хотела еще провести исследование по расчету капилляров в разных тканях и сравнить их качества по впитыванию влаги. Но в этом году я заканчиваю Сергеевскую среднюю школу и думаю, что кто–нибудь из моих младших товарищей заинтересуется этой темой и продолжит исследование. 7. Список литературы 1. Физическая энциклопедия /Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. -М.: Советская энциклопедия Т. 2. Добротность – Магнитооптика. 1990.730 с., ил. ISBN 5-85270-061-4 (т.2) ISBN 5-85270-034-7 2. Физический энциклопедический словарь. М., /Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. Кол. Д.М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. – М.: Советская энциклопедия, 1984. – 944 с., ил., 2 л. Цв.ил. 3. Физика: учебник для 10 класса шк. (классов) с углубл. Изуч. Физики/ Ф50 А.К.Кикоин, И.К. Кикоин, С.Я. Шамаш, Э.Е. Эвенчик. - М.: Просвещение, 1992. – 256 с., ил. – ISBN 5-09-004147-4/ 4. Физика: учеб для 10 кл. сред. Шк. /Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев. -3 изд. – М.: Просвещение, 1994. – 240 с.:ил. -ISBN 5-09-004971-8. 8. Примечание Примерное содержание письма. Уважаемые производители! Я, Анищенко Таня, ученица Сергеевской средней школы, Оконешниковского района, Омской области, в ходе научного исследования по определению качества впитывания туалетной бумаги (бумажных салфеток, бумажных полотенец, бумажных носовых платочков) разных производителей, хочу отметить, что туалетная бумага, которую вы производите, обладает высоким качеством по впитыванию влаги. Спасибо вам за ваш труд! С уважением Анищенко Таня.

Похожие:

	Научно-исследовательская работа Научно-исследовательская работа Научно-исследовательская... Научно-исследовательская работа (нир) относится к циклу «Практики и научно-исследовательская работа» магистерской программы «Русский...		Урок в шестом классе по теме «Животные в нашей жизни» Задачи урока: активизация навыков монологической речи по теме «Животные в нашей жизни»;актуализация навыков письма, чтения и аудирования;...
	Исследовательская работа Соль в нашей жизни Соль. Близкая, знакомая и такая загадочная… Соль встречается на каждой кухне, без неё человек не может обходиться, и в тоже время...		Шутова Любовь Николаевна, начальные классы История жизни моей прабабушки... Научно- исследовательская деятельность в моу «Нижнекулойская средняя общеобразовательная школа»
	Урок обобщения по теме: «Право в нашей жизни» Урок – обобщения по теме: «Право в нашей жизни». Для учащихся 11 «А» профильного класса		Исследовательская работа «Тайна имени». Выполнила ученица 6 класса... Научно-исследовательская деятельность в Мокрушинской школе Канского района Красноярского края
	Урок закрепления-повторения Защита проектов По теме «Средства массовой информации в нашей жизни» Социокультурный аспект – знакомство с мнениями одноклассников о том, какое место занимают сми в нашей жизни, характеристикой различных...		Исследовательская работа школьников. 2007 №3 «Ученику необходимо... Леонтович А. В. Исследовательская деятельность учащихся в современном образовательном пространстве: итоги научно-практической конференции....
	Международная научно-исследовательская конференция учащихся и педагогов... Российской Федерации, Правительства Москвы, Департамента науки, промышленной политики и предпринимательства города Москвы, Всемирной...		Исследовательская работа ученицы 9 класса «А» Ефремовой Евгении по... Поколение моих сверстников должно уважать своих предков и знать через что прошли наши дедушки. Ведь в нашей стране наступила настоящая...
	Фи ученика Исследовательские работы школьников были представлены следующими жанрами: исследовательский реферат – 2, исследовательская работа...		Исследовательская работа «Почему снег белый?» Целью курса является формирование у студентов основ методологического подхода, позволяющего систематически изучать сложные природные...
	Научно-исследовательская работа по теме «Особенности режима дня младших... В настоящее время наиболее остро стоит проблема охраны, укрепления здоровья, формирования здорового образа жизни и предупреждения...		Научно – исследовательская работа Влияние магнитных бурь на человека ...
	Список учащихся, рекомендованных на участие в городской научно практической... Тип работы (исследовательский реферат, исследовательская работа, проектно-исследовательская работа)		Научно-исследовательская работа по теме «Тригонометрия и тригонометрические... Я решил писать данную работу, чтобы узнать побольше об истории появления тригонометрии, способах решения тригонометрических уравнений...