כיצד למדוד מתח פני השטח

וִידֵאוֹ: מתיחת עמוד השדרה "מיתר" | אלכסנדר אפונין

תוֹכֶן

צעדים
שיטה 1 מתוך 3: שימוש בזרוע נדנדה
שיטה 2 מתוך 3: לפי אפקט נימי
שיטה 3 מתוך 3: כיצד לקבוע מתח משטח יחסי באמצעות מטבע
מה אתה צריך

מתח פני השטח מתאר את יכולתו של נוזל להתנגד לכוח הכבידה. לדוגמא, מים על גבי שולחן יוצרים טיפות כאשר מולקולות מים נמשכות זו לזו, דבר המונע את כוח הכבידה. בשל מתח פני השטח ניתן להחזיק עצמים כבדים יותר, כגון חרקים, על פני המים. מתח פני השטח נמדד בכוח (N) מחולק באורך היחידה (מ '), או באנרגיה ליחידת שטח. הכוח שאיתו מתקשרים מולקולות מים (כוח מגובש) יוצר מתח, וכתוצאה מכך טיפות מים (או נוזלים אחרים). ניתן למדוד מתח פני השטח בעזרת כמה פריטים פשוטים הנמצאים כמעט בכל בית ומחשבון.

צעדים

שיטה 1 מתוך 3: שימוש בזרוע נדנדה

1 רשום את המשוואה למתח הפנים. בניסוי זה, המשוואה לקביעת מתח הפנים היא כדלקמן: F = 2Sd, איפה ו - כוח בניוטונים (N), ס - מתח פני השטח בניוטון למטר (N / m), ד הוא אורך המחט המשמשת בניסוי. הבה נבטא את מתח הפנים ממשוואה זו: S = F / 2d.
- הכוח יחושב בסוף הניסוי.
- לפני תחילת הניסוי, השתמש בסרגל למדידת אורך המחט במטרים.
2 בנה זרוע נדנדה קטנה. ניסוי זה משתמש בזרוע נדנדה ובמחט קטנה שצפה על פני המים כדי לקבוע את מתח פני השטח.יש לשקול היטב את בניית זרוע הנדנדה, שכן דיוק התוצאה תלוי בה. אתה יכול להשתמש בחומרים שונים, העיקר הוא להכין מוט אופקי ממשהו קשה: עץ, פלסטיק או קרטון עבה.
- קבע את מרכז המוט (למשל, סרגל קש או פלסטיק) שבו אתה עומד להשתמש כמשקוף, ונקדוח או חורר במקום זה; זה יהיה נקודת המשען של המשקוף, שבו הוא יסתובב בחופשיות. אם אתה משתמש בקשית פלסטיק, פשוט חורר אותו בעזרת סיכה או מסמר.
- לקדוח או לנקב חורים בקצות הקורה הצולבת כך שהם יהיו מרווחים שווה מהמרכז. העבירו את החוטים דרך החורים כדי לתלות את כוס המשקל והמחט.
- במידת הצורך, תמכו בקורה בספרים או בחפצים קשים מספיק כדי לשמור על הקורה אופקית. יש צורך שהמשקוף מסתובב בחופשיות סביב מסמר או מוט תקוע באמצע.
3 קח חתיכת רדיד אלומיניום וגלגל אותו לקופסה או בצורת צלחת. זה בכלל לא הכרחי שלתחתית הזו יש צורה רגילה או עגולה. אתה תמלא אותו במים או במשקל אחר, אז וודא שהוא יכול לתמוך במשקל.
- לתלות קופסת נייר פח או תחתית מקצה אחד של הבר. יוצרים חורים קטנים לאורך שולי התחתית ומשחילים דרכם כך שהצלוחית תלויה מהסור.
4 תלו מחט או מהד מהקצה השני של הסרגל כך שהוא יהיה אופקי. קשרו מחט או מהד אופקית לחוט התלוי מהקצה השני של המוט. כדי שהניסוי יצליח, יש צורך למקם את המחט או מהדק נייר בצורה אופקית בדיוק.
5 מניחים משהו על הבר, כגון פלסטלינה, כדי לאזן את מיכל רדיד האלומיניום. לפני שמתחילים את הניסוי, יש לוודא שהמשקוף ממוקם אופקית. תחתית נייר הכסף כבדה יותר מהמחט, כך שהסרב בצד התחתון ייפול למטה. צרף מספיק פלסטלינה לצד הנגדי של המוט כך שיהיה אופקי.
- זה נקרא איזון.
6 מניחים את המחט או מהדק המשתלשל במיכל מים. שלב זה ידרוש מאמץ נוסף למקם את המחט על פני המים. וודא שהמחט לא שוקעת במים. מלאו מיכל במים (או בנוזל אחר בעל מתח פנים לא ידוע) והניחו מתחת למחט התלויה כך שהמחט תהיה ישירות על פני הנוזל.
- וודא שהחבל המחזיק את המחט נשאר במקומו ומהודק מספיק.
7 שקלו כמה סיכות או כמות קטנה של טיפות מים נמדדות בקנה מידה קטן. תוסיפו סיכה אחת או טיפת מים אחת לצלחת האלומיניום שעל הנדנדה. במקרה זה, יש צורך לדעת את המשקל המדויק שבו המחט תצא מעל פני המים.
- ספור את מספר הסיכות או טיפות המים ושקל אותן.
- קבע את המשקל של סיכה אחת או טיפת מים. לשם כך, חלקו את המשקל הכולל במספר הסיכות או הטיפות.
- נניח 30 סיכות שוקלות 15 גרם, ואז 15/30 = 0.5, כלומר סיכה אחת שוקלת 0.5 גרם.
8 הוסיפו סיכות או טיפות מים אחת אחת בצלחת נייר אלומיניום עד שהמחט יורדת מעל פני המים. מוסיפים סיכה אחת או טיפת מים בהדרגה. צפו היטב במחט כדי לא לפספס את הרגע שבו, לאחר העלייה הבאה במשקל, היא תצא מהמים. לאחר שהמחט יורדת מעל פני הנוזל, הפסיקו להוסיף סיכות או טיפות מים.
- ספרו את מספר הסיכות או טיפות המים שגרמו למחט בקצה הנגדי של הבר לצאת מעל פני המים.
- רשמו את התוצאה.
- חזור על הניסוי מספר (5 או 6) פעמים כדי לקבל תוצאות מדויקות יותר.
- חשב את ממוצע התוצאות שהתקבלו. לשם כך, הוסף את מספר הסיכות או הטיפות בכל הניסויים וחלק את הסכום במספר הניסויים.
9 המר את מספר הפינים לחוזק. לשם כך, הכפל את מספר הגרמים ב- 0.00981 N / g. כדי לחשב את מתח הפנים, עליך לדעת את הכוח הדרוש להרים את המחט מעל פני המים. מכיוון שספרת את המשקל של הסיכות בשלב הקודם כדי לקבוע את הכוח, אתה רק צריך להכפיל את המשקל הזה ב- 0.00981 N / g.
- הכפל את מספר הסיכות שבתחתית במשקל של סיכה אחת. לדוגמה, אם אתה שם 5 סיכות במשקל של 0.5 גרם, המשקל הכולל שלהן הוא 0.5 גרם / סיכה = 5 x 0.5 = 2.5 גרם.
- הכפל את מספר הגרמים בפקטור של 0.00981 N / g: 2.5 x 0.00981 = 0.025 N.
10 חבר את הערכים האלה למשוואה ומצא את הערך שאתה מחפש. ניתן להשתמש בתוצאות שהתקבלו במהלך הניסוי לקביעת מתח הפנים. פשוט חבר את הערכים שאתה מוצא וחשב את התוצאה.
- נניח בדוגמה למעלה, אורך המחט הוא 0.025 מטר. החלפת הערכים למשוואה ונקבל: S = F / 2d = 0.025 N / (2 x 0.025) = 0.05 N / m. לפיכך, מתח הפנים של הנוזל הוא 0.05 N / m.

שיטה 2 מתוך 3: לפי אפקט נימי

1 למד על האפקט הנימי. כדי להבין תופעות נימיות, יש להכיר תחילה את כוחות ההדבקה והלכידות. הדבקה גורמת לנוזל להידבק למשטח קשה כגון זכוכית. בשל כוח הלכידות מולקולות הנוזל נמשכות זו לזו הפעולה המשולבת של כוחות ההדבקה והלכידות גורמת לנוזל לעלות בצינורות דקים.
- מגובה עליית הנוזל בצינור ניתן לחשב את מתח פני השטח של נוזל זה.
- כוחות מגובשים מובילים להיווצרות בועות וטיפות על פני השטח. כאשר נוזל בא במגע עם אוויר, מולקולות הנוזל נמשכות זו לזו, וכתוצאה מכך נוצרות בועה.
- הדבקה מובילה להיווצרות של מניסקוס, המורגש בנקודות המגע של הנוזל עם קירות הזכוכית. הצורה הקעורה של המניסקוס גלויה לעין בלתי מזוינת.
- דוגמה לאפקט נימי היא הגדלת נוזל בקשית המונחת בכוס מים.
2 רשום את המשוואה לקביעת מתח הפנים. מתח פני השטח מחושב כדלקמן: S = (ρhga / 2), איפה ס - מתח פנים, ρ - צפיפות הנוזל שנחקר, ח - גובה עליית הנוזל בצינור, ז - האצת כוח הכבידה עקב כוח הכבידה הפועל על הנוזל (9.8 מ ' / שניות), א הוא הרדיוס של הצינור הנימי.
- בעת החלפת נתונים למשוואה זו, ודא שהם מתבטאים ביחידות מטריות: צפיפות בק"ג / מ ', גובה ורדיוס במטרים, האצה עקב כוח הכבידה ב- m / s.
- אם צפיפות הנוזל לא ניתנת מראש, ניתן למצוא אותה במדריך או לחשב אותה באמצעות נוסחת הצפיפות = מסה / נפח.
- מתח פני השטח נמדד בניוטון למטר (N / m). ניוטון שווה ל -1 ק"ג * מ / ש. כדי לקבוע באופן עצמאי את יחידות המדידה, פשוט החליפו אותן רק למשוואה, ללא ערכים מספריים: S = kg / m * m * m / s * m אם נצמצם שני מטרים במונה ובמכנה, נקבל 1 ק"ג * מ / ש / מ ', כלומר 1 N / m.
3 שופכים נוזל בעל מתח פנים לא ידוע לתוך המיכל. קח צלחת או קערה רדודה ושפוך לתוכה את הנוזל כך שיכסה את התחתית ב -2 עד 3 סנטימטרים. כמות הנוזלים לא חשובה, העיקר שנראה בבירור עד כמה היא תעלה בצינור הנימי.
- אם אתם מתכוונים להתנסות בנוזלים שונים, נקו היטב וייבשו את הצלחת לפני ששופכים לתוכה נוזל אחר, או השתמשו בכל פעם במיכל אחר.
4 טובלים צינור נקי ודק בנוזל. מגובה עליית הנוזלים בצינור זה, תקבע את מתח פני השטח.שמור על הצינור ברור כדי שתוכל לראות בבירור עד כמה הנוזל יעלה מעל לרמתו בצלחת. בנוסף, הצינור חייב להיות בעל רדיוס קבוע.
- כדי למדוד את הרדיוס, פשוט הניחו סרגל על החלק העליון של הצינור וקבעו את הקוטר. לאחר מכן חלק את הקוטר ב -2 ותמצא את הרדיוס.
5 מדוד את הגובה שהנוזל התעלה מעל לרמתו בצלחת. הזז את קצה הסרגל אל פני הנוזל במגש וקבע עד כמה הנוזל עלה בצינור. המים בצינור עולים מכיוון שכוח ההרמה של מתח הפנים עולה על כוח המשיכה של כוח הכבידה.
6 חבר את הערכים האלה למשוואה ובצע את החישובים. לאחר שקבעת את כל הערכים הנדרשים, חבר אותם למשוואה ומצא את מתח הפנים. הקפד להמיר את כל הערכים ליחידות מטריות כדי לקבל את התוצאה הנכונה.
- נניח שאנו מודדים את מתח הפנים של המים. צפיפות המים היא כ -1 ק"ג / מ"ק (בדוגמה זו אנו משתמשים בערכים משוערים). התאוצה הנובעת מכוח הכבידה היא 9.8 מ ' / ש. תנו לרדיוס הצינור להיות 0.029 מ ', והמים עלו לגובה של 0.5 מ'. מהו מתח הפנים של המים?
- החלף את הערכים שהתקבלו למשוואה וקבל: S = (ρhga / 2) = (1 x 9.8 x 0.029 x 0.5) / 2 = 0.1421 / 2 = 0.071 J / m.

שיטה 3 מתוך 3: כיצד לקבוע מתח משטח יחסי באמצעות מטבע

1 אסוף כל מה שאתה צריך. לניסוי זה תזדקקו לטפטפת עיניים, מטבע יבש, מים, קערה קטנה, נוזל לשטיפת כלים, שמן צמחי ומגבת. את כל אלה ניתן למצוא בבית או לרכוש בחנות המקומית שלך. אתה יכול להסתדר ללא סבון כלים ושמן צמחי, אך תצטרך כמה נוזלים שונים להשוואה.
- וודא שהמטבע נקי ויבש לפני תחילת הניסוי. אם אתה משתמש במטבע רטוב, תקבל תוצאות לא מדויקות.
- ניסוי זה אינו מאפשר חישוב מתח הפנים; ניתן להשתמש בו רק להשוות את מתח הפנים של נוזלים שונים.
2 זרוק טיפה אחת של נוזלים בכל פעם על פני המטבע. הניחו את המטבע על מגבת או משטח אחר בטוח להרטב. קח את הנוזל הראשון לתוך הפיפטה ולאחר מכן החיל לאט טיפה אחת על המטבע. כאשר עושים זאת, סופרים את הטיפות. ממשיכים עד שהנוזל נשפך מחוץ למטבע.
- רשום כמה טיפות נדרשו עד שהנוזל נשפך מחוץ למטבע.
3 חזור על הליך זה עם נוזלים שונים. נקו ויבשו את המטבע בכל פעם שאתם מחליפים נוזל. ייבש גם את המשטח שעליו אתה מניח את המטבע. השתמש בפיפטות שונות או נקה את הפיפטה לפני ניסוי חדש.
- נסה להוסיף מעט סבון כלים למים, ולאחר מכן לטפטף מים על מטבע ולראות אם מתח פני השטח משתנה.
4 השווה את מספר הטיפות הנדרשות לנוזלים שונים למילוי מטבע. נסה לחזור על הניסוי עם אותו נוזל מספר פעמים כדי לראות אם התוצאות מדויקות. ממוצע התוצאות: הוסף את מספר הטיפות בניסויים שונים וחלק את הסכום במספר הניסויים. רשמו כמה טיפות נדרשו עד שהנוזלים השונים מילאו את המטבע.
- ככל שיידרשו יותר טיפות של נוזל נתון למילוי מטבע, כך מתח הפנים של נוזל זה גבוה יותר.
- חומר ניקוי לשטיפת כלים מוריד את מתח הפנים של המים; להוסיף אותו יידרשו פחות טיפות למלא את המטבע.