Virsmas spraigums un adhēzija
Apskatīt video Khan Academy platformā: 
Surface Tension and Adhesion
Transkripts:
00:00
- [Aizkadra balss] Ja tu paņemtu glāzi ūdens un adatu,
00:04
un tu paņemtu šo adatu un ļoti uzmanīgi,
00:07
ļoti uzmanīgi noliktu to uz ūdens, tā tur paliktu,
00:11
un ne tāpēc, ka tā peldētu.
00:14
Šī adata nepeldētu uz ūdens.
00:16
Šī adata ir blīvāka par ūdeni,
00:18
un mēs zinām, ka, ja tā ir blīvāka, tai vajadzētu nogrimt.
00:21
Tātad tā nepeld.
00:22
Vispār tā vienkārši atrodas uz virsmas,
00:25
jo pastāv virsmas spraigums.
00:27
Ūdens ir šķidrums, kuram var būt
00:29
ievērojams virsmas spraigums,
00:31
un tu zini, ka tas ir virsmas spraigums, jo,
00:33
ja tu pieliktu nelielu spēku virzienā uz leju,
00:37
pārraujot virsmas spraigumu,
00:39
vai pastumjot adatu tieši zem virsmas,
00:42
tad tā nogrimtu.
00:42
Tā nogrimtu kā akmens
00:44
un uzreiz nokristu krūzes dibenā.
00:46
Kāpēc ūdenim ir šī virsmas spraiguma īpašība?
00:50
Tas ir saistīts ar faktu, ka ūdens molekulas
00:52
šajā šķidrumā pievelkas viena otrai.
00:56
Šī ūdens molekula var veidot ūdeņraža saites
00:58
ar citām ūdens molekulām sev apkārt,
01:00
un tā tiek vilkta to virzienā, un tam ir savs termins.
01:04
Mēs to saucam par kohēziju.
01:06
Fakts, ka ūdens molekulas un citas šķidruma molekulas
01:09
pievelkas viena otrai, tiek saukts par kohēziju.
01:13
Bet kāds tam sakars ar virsmas spraigumu?
01:15
Būtība ir tāda, ka šīs ūdens molekulas
01:19
gribētu grupēties kopā.
01:20
Tās grib grupēties, ja vien var.
01:22
Ko darītu šī ūdens molekula?
01:24
Es domāju, kurā virzienā tā dosies?
01:26
Kā tā izvēlas, ar kuru grupēties?
01:28
Tā ir problēma.
01:28
Šeit, šķidruma iekšienē, tā nevar izlemt,
01:32
vai citiem vārdiem sakot, pieņemsim,
01:34
ka tā tiek vilkta šīs molekulas virzienā.
01:38
Bet to velk arī pa kreisi visas šīs molekulas,
01:41
un šī viena velk to atpakaļ sākotnējā stāvoklī.
01:44
Šī velk to atpakaļ sākotnējā stāvoklī,
01:47
jo spēkam būs komponente,
01:50
kas būs vērsta tās sākotnējā stāvokļa virzienā,
01:54
tāpat kā šai pa kreisi.
01:56
Tātad tām ir ierobežojumi.
01:58
Šīm molekulām šeit, šķidruma iekšienē,
02:00
apkārt ir pārāk daudz citu ūdens molekulu,
02:03
kas nosaka, kur tām jāatrodas,
02:05
jo, ja tās mēģinātu pārvietoties,
02:07
tās tiktu vilktas atpakaļ uz šo vietu.
02:09
Tomēr uz virsmas
02:12
virs tām nav ūdens molekulu.
02:14
Tās ir brīvākas.
02:15
Tām ir mazāk ierobežojumu.
02:16
Tas ļauj šīm ūdens molekulām uz virsmas
02:19
nedaudz labāk grupēties,
02:22
veidot stiprākas, ciešākas saites, blīvāk izvietoties uz virsmas
02:27
tādā veidā, ka tās rada spraigumu,
02:29
kas nav sastopams šķidruma iekšienē.
02:31
Jā, šīs ūdens molekulas dziļāk
02:33
neļaus tām vienkārši sagrupēties
02:36
vienā lielā kopā centrā,
02:38
bet, tā kā tām ir mazāk ierobežojumu,
02:39
tās var veidot šīs ciešākās saites šeit, uz virsmas,
02:43
un tas ļauj tam noturēt spiedienu no augšas.
02:46
Tas ļauj noturēt noteiktu svaru,
02:49
kas ļauj adatai atrasties uz virsmas.
02:51
Daži praktiski pielietojumi, viens klīnisks.
02:54
Ja urīnā ir žults,
02:56
tās klātbūtni var noteikt, jo tā samazina
02:59
urīna virsmas spraigumu.
03:02
Tas dod testu, lai pārbaudītu, vai aknas
03:04
pārstrādā vielas tā, kā vajadzētu.
03:06
Vēl viens pielietojums ir, ja tu dodies pārgājienā,
03:09
un atrodies teltī.
03:10
Līst lietus, un uz telts krīt lietus lāses.
03:15
Lielākā daļa telšu neļaus ūdenim sūkties cauri,
03:18
bet tev radīsies kārdinājums.
03:20
Tu sēdēsi teltī.
03:21
Un tu nodomāsi: "Izskatās forši!",
03:23
un tu tai pieskarsies,
03:24
bet tev nevajadzētu tai pieskarties,
03:26
jo, tiklīdz tu tai pieskarsies,
03:27
tu vari pārraut virsmas spraigumu,
03:29
un, kad virsmas spraigums ir pārrauts,
03:31
ūdens pilēs tavā teltī
03:32
no tās vietas, kurai tu pieskāries,
03:34
un, visticamāk, tev nebūs laba nakts.
03:37
Tāpēc pretojies vēlmei pārraut virsmas spraigumu
03:40
uz savas telts, ja ārā līst.
03:41
Un, kad tu mazgā rokas, kad mēs lietojam mazgāšanas līdzekļus.
03:44
Ja tu mazgātu rokas tikai ar parastu ūdeni
03:46
un tas arī viss, dažreiz virsmas spraigums ir pārāk liels.
03:50
Šīs ūdens molekulas ir pārāk saistītas viena ar otru.
03:53
Tās veido pārāk lielu kopu.
03:54
Tā neizskatās.
03:55
Tā izskatās pilnīgi gluda, bet mikroskopiskā līmenī,
03:58
ūdens nav tik izkliedēts, kāds tas varētu būt.
04:02
Tas veido šīs kopas, jo ūdenim piemīt kohēzija,
04:05
un tas savienojas, bet, ja tu pievieno nedaudz ziepju
04:10
šim scenārijam, tās pārrauj virsmas spraigumu.
04:13
Tās samazina virsmas spraigumu,
04:14
kas nozīmē, ka šīs ūdens molekulas
04:16
vairs tik ļoti negrupējas,
04:18
un, ja tās negrupējas,
04:19
tās var iekļūt mazās plaisās,
04:22
kas iztīra netīrumus no tavām rokām,
04:24
un šis ūdens spēj labāk iespiesties
04:26
mazākajās plaisās un nokļūt tur, kur tam nepieciešams.
04:29
Virsmas spraigums ir kohēzijas dēļ
04:32
starp ūdens molekulām uz šķidruma virsmas,
04:36
bet ūdens molekulas nepievelkas tikai viena otrai.
04:39
Vispār tās pievelkas arī traukam,
04:42
un citiem materiāliem, un to sauc par adhēziju.
04:45
Fakts, ka ūdens molekulas
04:48
pievelkas arī citiem materiāliem, tiek saukts par adhēziju.
04:52
Notiek tas, ka šī ūdens molekula
04:54
nepievelkas tikai citām ūdens molekulām,
04:56
tā pievelkas pie sienas,
04:58
un šīs ūdens molekulas nedaudz uzkāpj pa sienu.
05:01
Tāpēc tu redzēsi,
05:02
ka, piepildot trauku ar ūdeni,
05:04
vai mērot šķidruma daudzumu mazā biretē,
05:08
virsma nav pilnīgi līdzena.
05:10
Vispār tā veido šādu formu.
05:14
Šis ir pārspīlēti, bet malas būs
05:17
nedaudz augstāk nekā vidus.
05:18
Tāpēc, veicot mērījumus, jābūt uzmanīgam.
05:20
To parasti sauc par menisku,
05:23
un to izraisa adhēzija,
05:25
ūdens molekulu pievilkšanās
05:27
traukam, kurā tas atrodas.
05:29
Šis adhēzijas spēks ir svarīgs.
05:32
Tas izraisa tā saukto kapilāro parādību.
05:34
Ļauj man šo nodzēst.
05:36
Ja tev ir trauks ar šķidrumu, teiksim, ūdeni,
05:40
un tu paņemtu citu trauku.
05:42
Tu to ieliec šeit kā salmiņu.
05:44
Ja tu to vienkārši ieliec iekšā, tu redzēsi, ka,
05:47
tā kā šķidrums pievelkas pie sienām
05:50
šī iekšējā trauka, tas nepaliek šajā līmenī,
05:53
tas pacelsies augstāk.
05:55
Tas paceļas nedaudz virs
05:59
ūdens virsmas līmeņa.
06:02
Un, ja tu paņemtu caurulīti ar vēl mazāku diametru
06:05
un ieliktu to iekšā, jo mazāka caurulīte,
06:07
jo lielāks šis efekts, un ūdens paceltos
06:10
vēl augstākā līmenī šajā caurulītē,
06:14
pateicoties adhēzijai ar šī trauka sienām.
06:17
Un šīs parādības nosaukums ir kapilārā parādība,
06:21
kas ir svarīga dažādos bioloģiskos
06:23
un nebioloģiskos piemēros, kur šķidruma kustībai
06:27
palīdz daļēja pievilkšanās pie sienām
06:32
traukam vai caurulei, kurā tas plūst.
Eksperta komentārs
Video sākumā tiek uzdots jautājums: kāpēc metāla adata var noturēties uz ūdens virsmas, negrimstot, lai gan tās blīvums ir lielāks nekā ūdenim. Tiek uzsvērts, ka adata “nepeld” Arhimēda spēka izpratnē — tā atrodas uz virsmas, jo ūdens virsmai piemīt virsmas spraigums. Autors paskaidro, ka, tiklīdz virsmas spraigums tiek pārrauts (piemēram, ar nelielu spiedienu uz leju vai adatu iestumjot zem virsmas), adata momentā nogrimst.
Tālāk video ievieš ideju par kohēziju: ūdens molekulas pievelkas cita citai (subtitros minētas arī ūdeņraža saites), un šī savstarpējā pievilkšanās ļauj šķidrumam “turēties kopā”. Īpaši uzsvērta atšķirība starp molekulām šķidruma iekšienē un uz virsmas: šķidruma iekšienē molekulu pievilkšanās spēki ir “līdzsvaroti” no visām pusēm, bet uz virsmas molekulām virs sevis nav citu ūdens molekulu, tāpēc tās var veidot ciešāku “sakārtojumu” un rezultātā rodas spraigums, kas ļauj virsmai zināmā mērā pretoties ārējam spiedienam.
Lai parādītu virsmas spraiguma praktisko nozīmi, autors sniedz vairākus piemērus no ikdienas: virsmas spraiguma pārraušana (piemēram, pieskaroties mitrai teltij lietus laikā) var veicināt ūdens pilēšanu cauri, savukārt mazgāšanas līdzekļi samazina virsmas spraigumu, ļaujot ūdenim labāk iesūkties sīkās spraugās un efektīvāk aizskalot netīrumus.
Pēc tam video ievieš jēdzienu adhēzija — šķidruma molekulu pievilkšanās citiem materiāliem (piemēram, trauka sienām). Ar adhēziju tiek skaidrots, kāpēc ūdens virsma traukā nav pilnīgi plakana un veidojas menisks, kā arī kāpēc šī pievilkšanās var izraisīt kapilāro parādību: ūdens šaurā caurulītē paceļas augstāk par kopējo šķidruma līmeni, un efekts kļūst izteiktāks, samazinoties caurulītes diametram.
Jēdzieni: blīvums, virsmas spraigums, molekulas, kohēzija, starpmolekulārie spēki/saites, adhēzija, menisks, kapilārā parādība.
Subtitros virsmas spraiguma skaidrojumā tiek lietoti termini kohēzija un adhēzija. Vidusskolas fizikas kursā Latvijā līdzvērtīgu skaidrojumu bieži sniedz, izmantojot vispārīgāku formulējumu “molekulu savstarpējā pievilkšanās” un “šķidruma pievilkšanās trauka sienām”, ne vienmēr īpaši izceļot terminus “kohēzija/adhēzija”.