Поверхностное натяжение — это совершенно реальнаяфизическая сила

Поверхностное натяжение — это совершенно реальнаяфизическая сила, которая может быть измерена без особого труда. Следовательно,если площадь поверхности жидкости увеличивается, то производится работапо преодолению этой силы, и энергия накапливается в новой поверхности.Подсчитывая баланс энергии, мы должны учитывать поверхностную энергию также, как и другие виды энергии. Например, когда комар садится на воду, поверхностьпрогибается под его лапками; следовательно, площадь поверхности и ее энергияувеличиваются. Комар проваливается до тех пор, пока увеличение поверхностнойэнергии воды не сравняется с уменьшением потенциальной энергии насекомого,дальше комар не тонет, и это его, наверное, вполне устраивает.

nature-879__1490263572__300h

Жидкость стремится по возможности уменьшить свою поверхностную энергию. Кпримеру, тонкая струя жидкости из только что закрытого крана, достигнувопределенного диаметра, непременно разобьется на отдельные капли с меньшейповерхностной энергией. Когда жидкость замерзает, молекулярный характер ееповерхности изменяется мало, и энергия поверхности сохраняется, хотяповерхностное натяжение уже не в силах изменить форму твердой частицы, округливее подобно капле. В большинстве твердых тел межатомные связи прочнее и жестче,чем в обычных жидкостях, соответственно и величины поверхностной энергии у нихв 10–20 раз выше. Незамечаем же мы поверхностного натяжения в твердых телах не потому, что онослабое, а потому, что твердые тела слишком жестки, чтобы их форма заметноискажалась силами поверхностного натяжения.

Теперь, подобно тому, как мы стали бы вычислять вес самого большого комара,способного шагать по данной жидкости, попытаемся определить, сколь прочнымдолжен быть тот или иной материал. Начав эти расчеты, основанные на вышесказанном,мы с удивлением обнаружим, что они очень простые.

Попробуем найти напряжение, которое необходимо для разделения в объемематериала двух примыкающих один к другому атомных слоев. Пока нам безразлично,какой материал рассматривать, кристаллический или аморфный. По существувсе, что нам нужно знать, — это величины модуля Юнга и поверхностной энергии.

Итак, положим, что два слоя атомов вначале находятся на расстоянии x смодин от другого, тогда энергия деформации на квадратный сантиметр принапряжении σ и деформации ε может быть найдена следующим образом:1/2·(Напряжение·Деформация·Объем)=1/σεx Но по закону Гука E=σε, то естьε= σ/ E.

Заменяя в первом равенстве εчерез σ/ Е, получимЭнергия деформации на квадратный сантиметр = σx/2E.

Если G есть поверхностная энергия твердого тела на 1 см,то общая энергия двух поверхностей, образовавшихся при разрушении, будет2G на 1 см.

Теперь предположим, что по достижении нашей теоретической прочностиа, вся энергия деформации в объеме между двумя слоями атомов переходитв поверхностную энергию, то естьσx/2E = 2GОтсюдаσ= (GE/x).

Комментарии закрыты.