Пузырь и капля

Пуская из тростинки пузыри 
И видя, как взлетающая пена 
Вдруг расцветает пламенем зари, 
Малыш на них глядит самозабвенно. 
Старик, студент, малыш - любой творит 
Из пены майи* дивные виденья, 
По существу лишенные значенья. 
Но через них нам вечный путь открыт, 
А он, открывшись, радостней горит.

Герман Гессе. "Игра в бисер"

^* (Майя - понятие древней и средневековой индийской философии, обозначающей иллюзорность всего воспринимаемого мира.)

Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике. Оно собирает воду в капли, благодаря ему мы можем выдуть мыльный пузырь и писать ручкой. Поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма. Его используют и в космической технике. Почему же поверхность жидкости ведет себя подобно растянутой упругой пленке?

Молекулы, расположенные в тонком слое жидкости вблизи поверхности, находятся в особых условиях. Они имеют одинаковых с ними соседей только с одной стороны поверхности, в отличие от молекул внутри жидкости, окруженных со всех сторон такими же молекулами.

Поскольку взаимодействие молекул на не слишком малых расстояниях носит характер притяжения, то потенциальная энергия каждой из молекул отрицательна. По абсолютной же величине, в первом приближении, ее можно считать пропорциональной числу ближайших соседей. Поэтому ясно, что у молекул, находящихся в поверхностном слое (число соседей для которых меньше, чем в объеме), потенциальная энергия выше, чем у молекул внутри жидкости. Еще одним фактором увеличения потенциальной энергии молекул в поверхностном слое является то, что по мере приближения к поверхности из глубины жидкости концентрация молекул падает.

Разумеется, молекулы жидкости находятся в непрерывном тепловом движении - одни молекулы уходят с поверхности, другие, наоборот, попадают на нее. Но можно говорить о средней добавочной потенциальной энергии поверхностного слоя жидкости.

Приведенные соображения показывают, что, для того чтобы извлечь молекулу на поверхность, сторонним силам необходимо совершить некоторую положительную работу. Избыток потенциальной энергии молекул, находящихся на участке поверхности единичной площади, по сравнению с потенциальной энергией, которой обладали бы эти же молекулы в толще жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения о и является численной характеристикой этой работы.

Известно, что из всех возможных состояний системы устойчивым является то, в котором ее энергия минимальна. В частности, и поверхность жидкости стремится принять такую форму, при которой ее поверхностная энергия в заданных условиях будет минимальна. Именно поэтому жидкость и обладает поверхностным натяжением, стремящимся сократить, уменьшить ее поверхность.