Научно-исследовательская работа «Знакомьтесь – капилляры»

Тема: «Знакомьтесь – капилляры!».

«Аннотация».

Капиллярные явления играют большую роль в природе, в технике, в строительном деле и бумажной промышленности. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма. По тонким капиллярным сосудам происходит водоснабжение растений и передвижение влаги в почве. Цель работы: выяснить как зависит высота подъема жидкости от диаметра капилляра, доказать, что от капиллярных явлений зависит качество и физические особенности различных веществ. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Изучить литературу по данной теме.

Рассмотреть основные понятия темы: смачивание, капилляр, капиллярные явления.

Провести серию экспериментов с целью выяснения причины поднятия жидкости в капиллярах.

Вычислить диаметры капилляров и выяснить физические свойства и особенности различных веществ.

5. Используя модель выяснить влияние гидроизоляции на влажность помещения.

6. Проанализировать полученный результат эксперимента.

Гипотеза: высота подъема жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр; от капиллярных явлений зависит качество почвы и физические особенности различных веществ (ткани, бумаги и других).

В процессе работы я использовала следующие методы исследования:

1. проведение эксперимента.

2. работа с научной литературой.

3. проведение сравнительного анализа.

В процессе исследовательской деятельности я поняла, что явления смачивания и несмачивания, капиллярные явления широко распространены как в повседневной жизни, так и в природе, знания в этой области находят широкое применение в науке и технике.

Тема: «Знакомьтесь – капилляры!»

«План исследований».

Тема моей работы «Знакомьтесь – капилляры!». Явления, обусловленные втягиванием смачивающих жидкостей в капилляры или выталкиванием несмачивающих жидкостей из капилляров, называются капиллярными явлениям. Ежедневно эти явления помогают нам в быту при стирке, крашении, пайке, сушке. Капиллярные явления играют большую роль в природе и в технике. Например, капиллярная пропитка различных материалов широко применяется в различных технологических процессах. В строительном деле, например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров, что препятствует проникновению влаги по стенам в жилые помещения.
В бумажной промышленности приходится учитывать капиллярность при изготовлении различных сортов бумаги. Капиллярные явления играют существенную роль в водоснабжении растений и передвижении влаги в почве.

Цель работы: выяснить как зависит высота подъема жидкости от диаметра капилляра, доказать, что от капиллярных явлений зависит качество и физические особенности различных веществ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Изучить литературу по данной теме.

Рассмотреть основные понятия темы: смачивание, капилляр, капиллярные явления.

Провести серию экспериментов с целью выяснения причины поднятия жидкости в капиллярах.

Вычислить диаметры капилляров и выяснить физические свойства и особенности различных веществ.

5. Используя модель выяснить влияние гидроизоляции на влажность помещения.

6. Проанализировать полученный результат эксперимента.

Гипотеза: высота подъема жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр; от капиллярных явлений зависит качество почвы и физические особенности различных веществ (ткани, бумаги и других).

В процессе работы я использовала следующие методы исследования:

1. проведение эксперимента.

2. работа с научной литературой.

3. проведение сравнительного анализа.

Свою работу я начала с основных понятий темы. Выяснила, что значит смачивание и несмачивание, капилляр и капиллярные явления. Затем я выяснила, как влияет размер капилляров на сохранение влаги в почве. Вычислила диаметр капилляров различных видов ткани и сортов бумаги, определила их свойства. Выполнила опыты по выявлению влияния гидроизоляции на влажность помещения.

В процессе работы я использовала статью Г.И. Жерехова «Домашние экспериментальные задания с политехническим содержанием» из журнала «Физика в школе» №5 1979 года. В этой статье автор предлагает провести опыты по выяснению значения вспашки и боронования в сохранении влаги в почве, а так же влияние гидроизоляции на влажность помещения. Способ определения диаметра капилляра я узнала из тетради для лабораторных работ «Физика 10 класс» Касьянов В.А. Основные понятия, характеристики и формулы из учебного пособия Шамаш С.Я., Эвенчик Э.Е., Орлов В.А. и другие «Методика преподавания физики в средней школе: Молекулярная физика. Электродинамика».

Явление капиллярного подъема жидкости исследуется уже более 400 лет. Начало этим исследованиям было положено еще Леонардо да Винчи. Продолжили эти следования Б. Паскаль, Д. Журен, Т. Юнг, П. Лаплас, Д. Гиббс. Исследованиям капиллярных явлений, в той или иной мере, посвятили себя также К. Гаусс, С. Пуассон, Г. Кирхгоф, Д. Максвелл, А. Пуанкаре, Ф. Нейман и многие другие известные ученые. Очевидно, что такой интерес обусловлен не только глубокой таинственностью данного процесса, но и практическим смыслом. Ведь капиллярные явления имеют значение в обеспечении жизнедеятельности растений и животных; они используются в технологических процессах пропитки, сварки, склеивания, смазки; эти явления помогают ежедневно нам в быту при стирке, крашении, пайке, сушке.

Тема: Знакомьтесь – капилляры!

«Научная статья (описание работы)».

При рассмотрении роли, которую играет в жизни людей физика, прежде всего, бросается в глаза такое ее свойство, как полезность. Польза физики заключается в том, что её достижения значительно облегчают жизнь и труд людей. Однако люди занимаются физикой не только потому, что она полезна. Физика ещё и красива. Одно из проявлений красоты физики в том, что даже в тех явлениях, к которым мы привыкли настолько, что не обращаем на них внимания, можно обнаружить интереснейшие физические процессы. Иногда внимательное рассмотрение привычных обыденных явлений открывает в них совершенно неожиданные стороны. Примерам таких «физических неожиданностей» и посвящена моя работа. Знакомьтесь – капилляры!

Подъем воды имеет значительную величину в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса (или еще меньше); поэтому такие трубки называют капил­лярами (от греческого «капиллярис» — волосной, тонкий). Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается вверх, а несмачивающая — опускается вниз. Явления, обусловленные втягиванием смачивающих жидкостей в капилляры или выталкиванием несмачивающих жидкостей из капилляров, называются капиллярными явлениям. Всякая жидкость, освобождённая от действия силы тяжести, принимает свою естественную форму – шарообразную. Падая, капли дождя принимают форму шариков, дробинки – это застывшие капли расплавленного свинца. Вода, попавшая на покрытую жиром поверхность, образует шаровидные капли, так как не смачивает жир, а по чистому стеклу растекается, так как смачивает стекло. Ртуть на стекле также собирается в отдельные капли (проявление несмачивания), а на цинковой пластинке растекается (проявление смачивания). Если молекулы жидкости при­тягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют сма­чивающей это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притя­гиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество. Ртуть не смачивает стекло, однако она смачивает медь и цинк. В своей работе я рассмотрела поверхности жидкостей при взаимодействии с различными твёрдыми телами. Я помещала капли масла, воды и ртути на цинковую, медную, стеклянную, парафиновую пластинки. Результат представлен в таблице №1. (Приложение №1)

Такие явления как смачивание и несмачивание широко распространены в живой природе. Например, поверхностная пленка воды является для многих организмов опорой для движения. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду широко расставленными лапками; лапка, покрытая воскообразным налетом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней. Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной пленки воды с помощью особых не смачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приемом пользуются личинки комаров (в том числе и малярийных). Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желез, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключенный между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает ее от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает ее «запас плавучести», действуя подобно спасательному поясу. Воскообразный налет на листьях препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений; наличием того же воскового налета объясняется водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах.[1]

На капиллярных явлениях основано кровообращение в живых организмах. Интересен тот факт, что в теле взрослого человека имеется до 160 млрд. капилляров. Общая длина капилляров достигает 60 - 80 тыс. км. Если все капилляры вытянуть в одну линию, то ею можно опоясать земной шар по экватору два с половиной раза. Площадь поперечного сечения аорты 8 см2, а общая площадь сечения всех капилляров примерно 3200 см2, то есть площадь капилляров больше площади аорты примерно в 400 раз. Соответственно падает скорость кровотока - от 20 см/с в начале аорты до 0,05 см/с в капилляре. Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а его длина менее 0,5 мм. Сквозь стенки капилляров вещества, растворённые в плазме крови, проходят в тканевую жидкость, а из неё попадают в клетки. Продукты жизнедеятельности клеток проникают сквозь стенки капилляров из тканевой жидкости в кровь. [2] Растительные и животные ткани тоже пронизано большим количеством капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры. Вода по этим ка­пиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, то есть сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай. Способность почвы удерживать воду называется влагоемкостью. Например, из 100 частей пропущенной воды тяжелым суглинком задерживается 50 частей, чернозем 40 частей, легким суглинком 30 частей. Таким образом, при пропускании через почву воды часть её удерживается почвой, часть просачивается вниз. Удерживается та вода, которая попадает в капилляры. Просачивается же через почву вода благодаря крупным скважинам, и от них зависит проницаемость почвы. Скважины и капилляры не остаются неизменными в одной и той же почве: капилляры под влиянием самых разнообразных причин расширяются, превращаясь в скважины, и наоборот. [3] Так как капиллярные явления играют существенную роль в водоснабжении растений и передвижении влаги, я проверила капиллярные свойства почвы. (Приложение№1) Взятую пробу почвы просушила и поместила нижний срез в воду на 1–2 см и оставила на 1–2 часа. После этого измеряла высоту поднятия воды и рассчитывала толщину капилляров.[4] Результат представлен в таблице №2. (Приложение №1) Как видим, глина непроницаема, а песок, чем крупнее, тем более проницаем для воды. Ни одна почва не состоит целиком из песка или целиком из глины. В каждой они присутствуют вместе, но в разных соотношениях. Например, 50-30% глины, песка 50-66% - это тяжелые суглинистые почвы, глины 33-20%, песка 66-80% - средние суглинистые почвы. Песчаные почвы состоят из легко рассыпающихся рыхлых песчинок, впитывают и пропускают вниз воду, но и легко просыхают и нагреваются. Чернозем отличается плодородием, удерживает много воды и хорошо нагревается.[3] Таким образом, капиллярность почвы имеет особое значение для сохранения и перемещения в ней влаги – факт, с которым серьёзно считаются в сельском хозяйстве. Механический состав и капиллярность почвы сильно влияет на её плодородие. Чем больше в ней содержится песка, тем слабее она удерживает воду. Чем больше в почве глины, тем сильнее удерживается драгоценная влага, но хуже поступает воздух. Высота подъема жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр; отсюда ясно, что для сохранения влаги надо почву перекапывать, в рыхлой земле влага сохраняется лучше, а для осушения - утрамбовывать.

Капиллярные явления играют большую роль не только в природе, но и в технике. Например, капиллярная пропитка различных материалов широко применяется в различных технологических процессах, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел. Капиллярные явления приходится учитывать в строительном деле, так как многие строительные материалы (песок, известь, бетон), керамические изделия, пористая глина, неглазированный фарфор пронизаны капиллярными ходами, по которым может проникать влага в помещения. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров, например, слой толя или смолы, что препятствует проникновению влаги по стенам в жилые помещения. Я выполнила опыты по выяснению влияния гидроизоляции на влажность помещения. Для этого я вырезала из промокательной бумаги модели двух домов и прикрепила их кнопками к линейке. На одной модели я провела кисточкой, смоченной маслом горизонтальную линию. Далее нижние части моделей опустила в воду. У одной модели вода поднялась лишь до проведенной линии, а у другой – до крыши. [4]

Я провела исследование капиллярных свойств различных веществ. Например, в бумажной промышленности приходится учитывать капиллярность при изготовлении различных сортов бумаги. Согласно результатам представленными в таблице №3 (Приложение №2), плохо пропускают влагу - картон и бумага «Снегурочка». Их пропитывают специальным составом, закупоривающим капилляры, поэтому мы легко выполняем на них записи чернилами и краской. Бумага фильтровальная используется для гигиенических целей, так как хорошо впитывает любые жидкости. Капиллярными явлениями объясняется гигроскопичность ваты и различных тканей. Согласно результатам исследования из таблицы №4 (Приложение №2) хлопок и лен хорошо промокают влагу, поэтому из таких тканей изготовляют полотенца, платки. Атласная ткань предназначена для других целей, так как плохо пропускает влагу. (Приложение №2) Из таблицы №5 (Приложение №2) можно сделать следующие выводы: зубной порошок быстро и хорошо впитывает воду, а такое свойство нам необходимо для чистки зубов. Соль быстро пропускает воду. Это хорошее качество данного вещества. Мел, наоборот, нужен нам сухим. Он медленнее впитывает влагу.

Как видно из моих исследований, объяснение капиллярности связано с явлениями смачивания и несмачивания, которые приводят к образованию вогнутого или выпуклого менисков в узких трубках – капиллярах.[5] Смачивающая жидкость втягивается внутрь капилляра. Подъем жидкости происходит до тех пор, пока результирующая сила, действующая на жидкость вверх, не уравновесится силой тяжести столба жидкости высотой h. Я провела вычисления диаметров капилляров различных веществ. Полученные результаты можно увидеть в таблицах № 2 – 5.

Явление капиллярного подъема жидкости исследуется уже более 400 лет. Начало этим исследованиям было положено еще Леонардо да Винчи. Продолжили эти исследования Б. Паскаль, Т. Юнг, П. Лаплас, Д. Гиббс. Исследованиям капиллярных явлений, в той или иной мере, посвятили себя также К. Гаусс, С. Пуассон, Г. Кирхгоф, Д. Максвелл, А. Пуанкаре, Ф. Нейман и многие другие известные ученые.[2] Очевидно, что такой интерес обусловлен не только глубокой таинственностью данного процесса, но и практическим смыслом. Ведь капиллярные явления имеют значение в обеспечении жизнедеятельности растений и животных; они используются в технологических процессах пропитки, сварки, склеивания, смазки; эти явления помогают ежедневно нам в быту при стирке, крашении, пайке, сушке и находят широкое применение в науке и технике.

Библиография.

1. Перельман Я.И. Занимательная физика: Книга 1. – М.: Наука, 1999.-224с.

2. Интернет-ресурсы.

3. Настольная книга русского земледельца – М.: АО «Прибой», 1993-704с.

4. «Физика в школе» Жерехов Г.И. «Домашние экспериментальные задания с политехническим содержанием». 1979 №5.- 96с.

5. Шамаш С.Я., Эвенчик Э.Е., Орлов В.А. и другие Методика преподавания физики в средней школе: Молекулярная физика. Электродинамика: Пособие для учителя/ С.Я. Шамаш, Э.Е.Эвенчик, В.А. Орлов и другие - М.: Просвещение, 1987.-256с.

6. Касьянов В.А Физика. 10 класс: Тетрадь для лабораторных работ/В.А. Касьянов – М.: Дрофа, 2004.- 48с.

Приложение №1.

Таблица №1.

Таблица №2.

Приложение №2.

Таблица №3.

Таблица №4.

Таблица №5.