Опыты с ложкой бульона (В. Майер)

Набрав ложку хорошего мясного бульона, не спешите отправить ее в рот. Посмотрите внимательно на бульон - на его поверхности плавают крупные капельки жира. Заметьте размер этих капелек. Отлейте немного бульона из ложки обратно в тарелку и опять посмотрите на его поверхность - капельки жира расползлись, став больше в диаметре и меньше по толщине. Чем объясняется это интересное явление?

Рис. 49

Прежде всего давайте выясним, при каких условиях капелька жира может находиться на поверхности бульона, не растекаясь. Посмотрите на рис. 49 - капля жидкости 2 (жира) лежит на поверхности жидкости 1 (бульона). Форма капли напоминает чечевицу. Сверху находится среда 3 - смесь воздуха с парами жидкостей 1 и 2. Три среды (1, 2 и 3) соприкасаются по окружности, ограничивающей каплю. Выделим малый элемент этой окружности (вблизи точки О на рис, 49) длиной Δl.

На него действуют три силы поверхностного натяжения. На границе раздела жидкостей 1 и 2 действует сила F₁₂, направленная по касательной к границе раздела и равная по модулю

где σ₁₂ - поверхностное натяжение на границе сред 1 и 2. Аналогичные силы F₁₃ и F₂₃ действуют на границах раздела сред 1, 3 и 2, 3:

и

Здесь σ₁₃ и σ₂₃ - соответствующие поверхностные натяжения.

Очевидно, что капля будет находиться в равновесии, если сумма всех трех сил равна нулю:

или - в проекциях на оси координат X и Y (после подстановки соответствующих абсолютных значений и сокращения на Δl) -

(1)

Здесь θ₁ и θ₂ - углы между касательными к поверхности капли жидкости 2 и поверхностью жидкости 1, их называют краевыми углами.

Из равенства (1) видно, что равновесие капли возможно в том случае, если поверхностные натяжения связаны определенным соотношением:

Поскольку поверхностные явления в жидкости мало зависят от присутствия над жидкостью газообразной среды, практически можно считать, что

Величины σ₁ и σ₂ называют поверхностными натяжениями жидкостей 1 и 2 соответственно; в нашем случае - это поверхностные натяжения бульона и жира.

Таким образом, капля жира будет плавать на поверхности бульона, не растекаясь, если поверхностное натяжение бульона меньше суммы поверхностных натяжений жира и границы раздела бульон - жир:

(2)

В частном случае, когда капля очень тонкая (почти плоская), углы θ₁ и θ₂ малы (θ₁ = θ₂ = 0) и условие равновесия капли имеет вид:

При

не существует значений углов θ₁ и θ₂, для которых выполнялось бы равенство (1). Это означает, что в этом случае жидкость 2 не собирается в каплю на поверхности жидкости 1, а растекается по ней тонким слоем.

Теперь постараемся объяснить результаты опытов с ложкой бульона. Капли жира плавают на поверхности бульона, значит, выполняется соотношение (2). Почему же при уменьшении количества бульона в ложке капли расплываются по его поверхности, увеличиваясь в размерах? Что при этом изменяется?

Рис. 50

Предлагаем такое объяснение. Поверхностные натяжения жира σ₂ и границы раздела бульон - жир σ₁₂ остаются неизменными. Остается допустить, что при выливании части бульона из ложки изменяется поверхностное натяжение бульона σ₁. Но бульон (в первом приближении) - это вода. Разве может измениться поверхностное натяжение воды, если уменьшить количество воды в сосуде? По-видимому, нет. Правда, бульон - это не просто вода, а вода, покрытая тонким слоем жира. Выливая из ложки бульон, мы выливаем и часть жира, так что толщина слоя жира, покрывающего бульон, уменьшается. Это, очевидно, и приводит к увеличению поверхностного натяжения бульона. В результате капли жира расползаются по поверхности бульона. Для проверки предлагаем вам самостоятельно провести такой опыт. В чистое блюдце (без следов жира) наберите чистой водопроводной воды. Тонкой пипеткой или трубочкой (можно использовать чистый стержень от шариковой авторучки) капните на поверхность воды чуть-чуть подсолнечного масла. Вы увидите, что первая капля полностью растечется по поверхности воды. Следующие капли уже не растекутся, а образуют чечевицы. Аккуратно вылейте часть воды - капли расползутся по ее поверхности.

Рис. 51

В заключение вернемся еще раз к опытам с ложкой бульона. Внимательно наблюдая за поведением капелек жира, вы сможете заметить очень любопытные явления разрывов и восстановления капель.

Рис. 52

На рис. 50-55 представлены фотографии результатов одного из таких экспериментов. В чистую стеклянную чашку мы налили водопроводной воды, подкрашенной синей тушью (не содержащей спирта). Слегка смоченной подсолнечным маслом стеклянной трубкой осторожно коснулись поверхности воды и получили восемь очень маленьких капель (см. рис. 50). Затем резиновой грушей отобрали немного воды из чашки - все капли увеличились в размерах. После следующей такой операции капли увеличились еще заметнее, при этом они несколько исказились по форме (из-за течения воды) и на них появились зародыши разрывов (см. рис. 51).

Рис. 53

Все дальнейшие изменения происходили самопроизвольно, без постороннего вмешательства. Вначале разрывы в каплях росли, затем сливались в один большой разрыв - капля превращалась в кольцо. Наконец, это кольцо разрывалось и вновь стягивалось в каплю (см. рис. 52-55).

Рис. 54

Не правда ли - действительно стоит понаблюдать за ложкой бульона, прежде чем отправить ее в рот!

Рис. 55