Метод определения основан на взаимодействии с водой металлического кольца, радиус которого значительно больше толщины стенки. Кольцо смачивается водой, вследствие чего, когда его вынимают из воды возникает сила поверхностного натяжения, значение которой вместе с диаметром кольца позволяют определить коэффициент поверхностного натяжения воды. Смачивание (либо несмачивание) зависит от сил, возникающих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. При смачивании силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил между молекулами самой жидкости и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. В работе для определения коэффициента поверхностного натяжения используется формула (3), где экспериментально определяется сила поверхностного натяжения и длина контура.
Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.
К невесомой пружине (1) подвешено кольцо (2) массой . Указатель (3) отмечает координату на шкале (4), соответствующую положению равновесия кольца на пружине (рис. 3,а). Сила тяжести кольца уравновешена силой упругости пружины :
|
|
, (4)
Если снизу поднести к кольцу чашку с жидкостью (рис. 3,б), то в результате смачивания кольцо сцепится с жидкостью. При опускании чашки с жидкостью вниз кольцо устремляется за жидкостью и растяжение пружины увеличивается. Между кольцом и поверхностью жидкости формируется жидкостная пленка создающая силу поверхностного натяжения , действующую по внутреннему и внешнему периметрам кольца. Согласно уравнению (3) получаем:
, (5)
где - радиус внутренней поверхности, - радиус внешней поверхности кольца. Пренебрегая толщиной стенки кольца по сравнению с радиусом формулу (5) можно записать
, (6)
где - диаметр кольца.
При дальнейшем опускании сосуда с жидкостью вниз кольцо отрывается от жидкости при условии
, (7)
где - сила упругости, обусловленная силой тяжести кольца и силой поверхностного натяжения. Из рисунков 3,а и 3,б видно, что
. (8)
Приравнивая уравнения (7) и (8), с учётом выражения (4), получаем:
. (9)
Приравниваем выражения (6) и (9): .
Отсюда получаем формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения:
. (10)
Из формулы (10) следует, что для определения коэффициента поверхностного натяжения необходимо определить коэффициент жесткости пружины . Определение достигается методом градуировки пружины.