液体の表面張力の現象に基づく推進力。図面、説明

液体の表面張力現象を利用した推進力。モデラーのためのヒント

モデリング

液体の表面張力の現象は長い間知られていましたが、新しい材料であるナノセルロースの発明により、おもちゃのボートモデル用の興味深い推進装置を作成することが可能になりました。

ジャーナル「Chemical Science」の 24 年第 2012 号に、界面活性剤の蒸発によって推進されるボートのモデルを説明する記事が掲載されました。この物質としてアルコールが使用されており、その化学エネルギーが機械エネルギーに変換され、このエネルギーがボートモデルを動かします。蒸発するアルコールは膜（ナノセルロース製の液密ボートの船体）に浸透し、船尾の水の表面張力の低下につながります。船は前後の水の表面張力の違いにより前に進みます。

水の表面張力を変えるとボートが動きます（クリックして拡大）

興味深いのは、同様の動機が「物理学の面白い実験」(L.A. Gorev、1985 年) という本の中で説明されているということです。

図に示す形状の板をボール紙から切り出し、十分に大きな寸法（たとえば、直径35 cm、高さ10 cm）のガラス槽に注いだ水の表面に置きます。段ボールの切り抜きの中央にある水の上のクリスタル。プレートが長時間移動します。なぜ？

液体の表面張力現象を利用した推進力
樟脳エンジン付きボート

同様の移動体に関する同様の説明が物理学の教科書 (物理学の一般コース、熱力学と分子物理学、第 II 巻、D.V. Sivukhin. M.、Nauka、1990) にあります。

多くの現象は、異なる液体の表面張力が同じではないという事実によって説明されます。たとえば、船尾に小さな穴が開けられたブリキ製の小さな模型船を考えてみましょう。エーテルの自由表面のレベルが穴よりわずかに高くなるように、エーテルをボートに注ぎましょう。次にボートを水面に浮かべます。それから彼は前方、つまり船尾から船首の方向に動き始めます。この現象は、エーテルの表面張力が水の表面張力よりも小さいという事実によって説明されます。船尾の穴から染み出したエーテルが船後方の水面を薄い層で覆います。エーテルの表面張力がボートを引き戻します。ただし、この力は、水を前方に引っ張る水の表面張力よりも小さいです。これら XNUMX つの力の合力が前方に向かい、ボートを動かします。

樟脳の小片を純水の表面に投げると、同じ現象が観察されます。樟脳は水にゆっくりと溶け、表面張力を下げます。樟脳の異なる場所での溶解速度は同じではなく、その形状によって異なります。それは、ピースの突き出た鋭い端の近くにあります。その結果、表面張力の差が形成され、樟脳の断片がランダムで激しい回転および並進運動を引き起こします。この現象は、水面が十分にきれいな場合にのみ観察されます。脂肪の薄い層は水の表面張力を、樟脳の溶解ではそれ以上低下させることができない程度まで低下させます。レイリーによれば、水面の油層の厚さが 2 × 10-7 cm に達すると樟脳の動きが止まり、この場合、水の表面張力はきれいな水面よりも 28% 小さくなります。レイリーによれば、厚さ 1 * 10-7 cm 以下の油の層は水の表面張力に実質的に影響を与えません。

そして、液体の表面張力に基づいた移動体の別の説明が、ジャーナル「Kvant」、1982 年、第 11 号に掲載されました。

動く「ロケット」と発散リング。

図 1 に示す形状の「ロケット」を紙で切り抜きます。点 A に、濃縮石鹸液または小さな棒状石鹸を XNUMX 滴垂らします。ここでロケットを静かな水面に降ろすと、ロケットは動き始めます。

液体の表面張力現象を利用した推進力
ロケットとスピナー

「ロケット」の代わりに、文字Sの形をした風車を作り、点AとA'に石鹸を置くことができます（図1、b）。スピナーがどの方向に回転するかを観察します。

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