Kropla na szybie a siła przylegania... - lekcja fizyki

[Michael]

Witam

Jest sobie szyba ustawiona pionowo. Na tej szybie jest kropla wody.
Oczywiście grawitacja działa w dół, warunki całkowicie przyziemne ;-).
Do kropli są zaczepione dwie siły. Ich kierunek jest równoległy do szyby.
Mają przeciwne zwroty i są opisane jako:
-siła przylegania (zwrot w górę)
-siła ciężkości (zwrot w dół)
...i wg mnie jest błąd. Więc mówię, że siła przylegania powinna mieć
kierunek prostopadły do szyby i powinna być zwrócona w kierunku do szyby.
Natomiast ta siła która została tu narysowana jako siła przylegania bardziej
pasuje mi do siły tarcia...
Na to mój nauczyciel mówi, że siły tarcia są dla ciał stałych a nie dla
cieczy i że rysunek jest dobrze...

Już miałem zamiar zapytać go czy aby do "odklejenia" kropli od szyby należy
użyć zerowej siły... ale jakoś zabrakło pewności siebie...

Bardzo proszę o rozstrzygnięcie sporu.

Pozdrawiam

[Maciek]

Post by Michael
Witam
Jest sobie szyba ustawiona pionowo. Na tej szybie jest kropla wody.
Oczywiście grawitacja działa w dół, warunki całkowicie przyziemne ;-).
Do kropli są zaczepione dwie siły. Ich kierunek jest równoległy do szyby.
-siła przylegania (zwrot w górę)
-siła ciężkości (zwrot w dół)
...i wg mnie jest błąd. Więc mówię, że siła przylegania powinna mieć
kierunek prostopadły do szyby i powinna być zwrócona w kierunku do szyby.
Natomiast ta siła która została tu narysowana jako siła przylegania bardziej
pasuje mi do siły tarcia...
Na to mój nauczyciel mówi, że siły tarcia są dla ciał stałych a nie dla
cieczy i że rysunek jest dobrze...
Już miałem zamiar zapytać go czy aby do "odklejenia" kropli od szyby należy
użyć zerowej siły... ale jakoś zabrakło pewności siebie...
Bardzo proszę o rozstrzygnięcie sporu.

To, zdaje sie, temat z Turnieju Mlodych Fizykow?



Kropla na szybie to zjawisko dosc zlozone (jak na poziom szkoly).

Przede wszystkim zacznij od przypomnienia sobie pojecia napiecia
powierzchniowego. Dzialanie (nie NATURE, ale SKUTEK) napiecia
powierzchniowego na krople jest mniej wiecej taki, jakby kropla
byla obciagnieta warstewka napietej gumy. Aby bylo smieszniej,
ta "guma" jest tylko "na wierzchu" kropli - nie ma jej pomiedzy
kropla i szyba.
To napiecie powierzchniowe usiluje utrzymac minimalna powierzchnie
kropli. Minimalna jest w tym przypadku powierzchnia polkuli, wiec
napiecie powierzchniowe zapobiega zarowno nadmiernemu powiekszaniu
obszaru przylegania (rozplaszczaniu sie kropli na szybie)
i nadmiernemu zmniejszaniu go (wydluzaniu kropli na ksztalt
stulbi czy pijawki).
Ciezar kropli oczywiscie ciagnie ja w dol, wskutek czego odbiega
ona od idealnego ksztaltu polkuli - gorna powierzchnia kropli
odchyla sie od powierzchni szyby, dolna zas przychyla sie do szyby.
Jesli woda przylega do szyby wszedzie jednakowo, to - wskutek
tego odksztalcenia - czasteczki wody latwiej odrywaja sie od szkla
na gorze, a przyklejaja sie na dole. Wskutek tego kropla splywa
po szkle.

Jesli powierzchnia szyby nie jest jednorodna, w szczegolnosci
jesli sa na niej plamki tluszczow, osad (kurz) itp, to przyleganie
wody do szyby w roznych miejscach jest rozne. Kropla wiec
najpewniej zatrzyma sie w takim miejscu, ze jej gorna czesc
przylega dobrze, a dolna - slabo.
W efekcie dolny brzeg kropli "nie ma ochoty" posunac sie w dol,
gdyz wlasnie im nizej, tym gorzej woda zwilza szybe. Dolna czesc
powierzchni kropli przy szybie "podwija sie" wiec do gory.
Z drugiej strony, u gory kropli woda silnie przylega do szyby,
wiec kropla "trzyma sie" tego miejsca.
W sumie powierzchnia kropli tworzy cos w rodzaju worka - polkuli
"przegietej" :-) przez ciezar kropli; ostatecznie ksztalt kropli
wynika z rownowagi sil pomiedzy ciezarem, ciagnacym krople w dol,
a napieciem powierzchniowym, minimalizujacym powierzchnie kropli.

Stad wniosek, ze ciezar kropli przenosi sie na szybe tam, gdzie
powierzchnia kropli spotyka sie ze szklem. Tam wlasnie znajduja
sie te czasteczki wody, ktore "nie maja ochoty" przesunac sie
nizej - i cala kropla wisi wlasnie na nich. A zatem w tych
miejscach faktycznie sily przylegania dzialaja nieprostopadle
do powierzchni szyby.

Chyba ze sie myle....



Maciek

[Michael]

Post by Maciek
To, zdaje sie, temat z Turnieju Mlodych Fizykow?

Niewiem, ja ten problem omawiałem w LO na lekcji fizyki. Rzecz jasna bardzo
nie dokładnie, większość ludzi nie zna postaw fizyki, więc to raczej monolog
a jeśli już dialog to nie zawsze wyciąga się poprawne wnioski.

Post by Maciek
Kropla na szybie to zjawisko dosc zlozone (jak na poziom szkoly).

Wiem, ale ja zadałem dośc proste (mało złożone pytanie ;-)). Kto lepiej
przedstawił problem. Ja czy nauczyciel? :-)

Post by Maciek
Przede wszystkim zacznij od przypomnienia sobie pojecia napiecia
powierzchniowego. Dzialanie (nie NATURE, ale SKUTEK) napiecia
powierzchniowego na krople jest mniej wiecej taki, jakby kropla
byla obciagnieta warstewka napietej gumy. Aby bylo smieszniej,
ta "guma" jest tylko "na wierzchu" kropli - nie ma jej pomiedzy
kropla i szyba.
To napiecie powierzchniowe usiluje utrzymac minimalna powierzchnie
kropli. Minimalna jest w tym przypadku powierzchnia polkuli, wiec
napiecie powierzchniowe zapobiega zarowno nadmiernemu powiekszaniu
obszaru przylegania (rozplaszczaniu sie kropli na szybie)
i nadmiernemu zmniejszaniu go (wydluzaniu kropli na ksztalt
stulbi czy pijawki).
Ciezar kropli oczywiscie ciagnie ja w dol, wskutek czego odbiega
ona od idealnego ksztaltu polkuli - gorna powierzchnia kropli
odchyla sie od powierzchni szyby, dolna zas przychyla sie do szyby.
Jesli woda przylega do szyby wszedzie jednakowo, to - wskutek
tego odksztalcenia - czasteczki wody latwiej odrywaja sie od szkla
na gorze, a przyklejaja sie na dole. Wskutek tego kropla splywa
po szkle.
Jesli powierzchnia szyby nie jest jednorodna, w szczegolnosci
jesli sa na niej plamki tluszczow, osad (kurz) itp, to przyleganie
wody do szyby w roznych miejscach jest rozne. Kropla wiec
najpewniej zatrzyma sie w takim miejscu, ze jej gorna czesc
przylega dobrze, a dolna - slabo.
W efekcie dolny brzeg kropli "nie ma ochoty" posunac sie w dol,
gdyz wlasnie im nizej, tym gorzej woda zwilza szybe. Dolna czesc
powierzchni kropli przy szybie "podwija sie" wiec do gory.
Z drugiej strony, u gory kropli woda silnie przylega do szyby,
wiec kropla "trzyma sie" tego miejsca.
W sumie powierzchnia kropli tworzy cos w rodzaju worka - polkuli
"przegietej" :-) przez ciezar kropli; ostatecznie ksztalt kropli
wynika z rownowagi sil pomiedzy ciezarem, ciagnacym krople w dol,
a napieciem powierzchniowym, minimalizujacym powierzchnie kropli.

Ładny wywód, ale nie o to chodzi... woda na szybie trzymałaby się bez
względu na istnienie napięcia powierzchniowego... tylko że raczej nie w
postaci kropli.

Post by Maciek
Stad wniosek, ze ciezar kropli przenosi sie na szybe tam, gdzie
powierzchnia kropli spotyka sie ze szklem. Tam wlasnie znajduja
sie te czasteczki wody, ktore "nie maja ochoty" przesunac sie
nizej - i cala kropla wisi wlasnie na nich. A zatem w tych
miejscach faktycznie sily przylegania dzialaja nieprostopadle
do powierzchni szyby.

Tak, ale nauczyciel pokazywał, że siły przylegania ja _równoległe_ do szyby.

Pozdrawiam

[Maciek]

Post by Michael

Post by Maciek
Kropla na szybie to zjawisko dosc zlozone (jak na poziom szkoly).

Wiem, ale ja zadałem dośc proste (mało złożone pytanie ;-)).

Nie na kazde proste pytanie mozna udzielic prostej odpowiedzi.

Post by Michael
Kto lepiej przedstawił problem. Ja czy nauczyciel? :-)

Aby to ocenic, trzeba by uslyszec, albo przeczytac,
wypowiedz nauczyciela...

Biorac problem ze wszystkimi szczegolami mozna odpowiedziec,
ze zaden z was nie mial racji: sily oddzialywania pomiedzy
kropla i szyba nie sa na calej powierzchni styku pionowe,
ani tez nie sa na calej tej powierzchni poziome.

Co do bilansu makroskopowego jednak nauczyciel byl blizszy
prawdy: wypadkowe oddzialywanie szyby na wode rownowazy jej
ciezar - jest wiec pionowe.

W szczegolach oczywiscie nalezy zauwazyc nie tylko
rownowazenie ciezaru, ale i momentu ciezaru (podobnie
jak sciana rownowazy nie tylko pionowy ciezar wiszacej
na niej szafki, ale takze moment sily, wyciagajacy hak).

W szczegolach jeszcze mniejszych pojawia sie silne
przyleganie kropli do szkla - ale tego z zewnatrz
nie widac. Tak jak nie widac sil spojnosci, wiazacych
szklo w sprezysta tafle.

Post by Michael

Post by Maciek
(....)

Ładny wywód, ale nie o to chodzi... woda na szybie trzymałaby
się bez względu na istnienie napięcia powierzchniowego...
tylko że raczej nie w postaci kropli.

Bez napiecia...?
Stalaby sie nadciekla i rozpelzla po calej szybie. :)

Post by Michael

Post by Maciek
Stad wniosek, ze ciezar kropli przenosi sie na szybe tam, gdzie
powierzchnia kropli spotyka sie ze szklem. Tam wlasnie znajduja
sie te czasteczki wody, ktore "nie maja ochoty" przesunac sie
nizej - i cala kropla wisi wlasnie na nich. A zatem w tych
miejscach faktycznie sily przylegania dzialaja nieprostopadle
do powierzchni szyby.

Tak, ale nauczyciel pokazywał, że siły przylegania
ja _równoległe_ do szyby.

No. Na gornej i dolnej "krawedzi" kropli - faktycznie sa.
A dla calego zjawiska "kropla wiszaca na pionowej szybie"
wlasnie te dwa miejsca maja podstawowe znaczenie.


Maciek

PS.
TNIJ CYTATY.

[Mateusz Nowaczyk]

Post by Maciek

Post by Michael
Witam
Jest sobie szyba ustawiona pionowo. Na tej szybie jest kropla wody.
Oczywiście grawitacja działa w dół, warunki całkowicie przyziemne ;-).
Do kropli są zaczepione dwie siły. Ich kierunek jest równoległy do szyby.
-siła przylegania (zwrot w górę)
-siła ciężkości (zwrot w dół)
...i wg mnie jest błąd. Więc mówię, że siła przylegania powinna mieć
kierunek prostopadły do szyby i powinna być zwrócona w kierunku do szyby.
Natomiast ta siła która została tu narysowana jako siła przylegania bardziej
pasuje mi do siły tarcia...
Na to mój nauczyciel mówi, że siły tarcia są dla ciał stałych a nie dla
cieczy i że rysunek jest dobrze...
Już miałem zamiar zapytać go czy aby do "odklejenia" kropli od szyby należy
użyć zerowej siły... ale jakoś zabrakło pewności siebie...
Bardzo proszę o rozstrzygnięcie sporu.

To, zdaje sie, temat z Turnieju Mlodych Fizykow?
Kropla na szybie to zjawisko dosc zlozone (jak na poziom szkoly).
Przede wszystkim zacznij od przypomnienia sobie pojecia napiecia
powierzchniowego. Dzialanie (nie NATURE, ale SKUTEK) napiecia
powierzchniowego na krople jest mniej wiecej taki, jakby kropla
byla obciagnieta warstewka napietej gumy. Aby bylo smieszniej,
ta "guma" jest tylko "na wierzchu" kropli - nie ma jej pomiedzy
kropla i szyba.
To napiecie powierzchniowe usiluje utrzymac minimalna powierzchnie
kropli. Minimalna jest w tym przypadku powierzchnia polkuli...

Oj, nie bylbym pewnien - na styku z szybą też działa napięcie pow., tylko o
innej wartości. Przeciez inaczej zachowuja sie ciecze zwilzajace i
niezwilzajace - mamy tu do czynienia z tzw. kątem zwilzania, i wcale nie
wynosi onkoniecznie pi/2. Poza tym trzeba zauwazyc, ze na idealnie gladkiej
szybie kropla nie bedzie wisiec - po prostu splynie.

Pozdrawiam,
Mateusz Nowaczyk