Может ли человек ходить по воде?

Исследовательская работа

«Может ли человек ходить по воде?»

                                                                                                         Выполнил: ученик  Алеев Дмитрий

                                                                                                      Учитель физики: Сенчик Максим

                                                                   Максимович

Школа физиков «Спектр»

МБОУ "Богашевская СОШ им. А.И. Федорова" Томского района

2018 год

А под утро Он пришел к ним, ступая по морю. А ученики, видя, что ступает Он по морю, ужаснулись и стали говорить, что это призрак, и со страху  закричали. Но тот час заговорил с ними Иисус: «Не бойтесь, это Я!». А Петр сказал Ему в ответ: «Господи, если это Ты, повели, чтобы я пошел к Тебе по водам!». Он же сказал: «Иди!». И Петр, выйдя из лодки, ступал по водам и шел к Иисусу…

Пока люди спорят реальность это или красивая легенда многие насекомые научились передвигаться по поверхности воды. Как им это удается?

Гипотеза: Если насекомым удается передвигаться по воде, то при определенных условиях и у человека это может получиться.

Цель исследования: Изучить явления, связанные с силой поверхностного натяжения жидкости, и выяснить, может ли человек ходить по воде.

Задачи: Выяснить причины возникновения сил поверхностного натяжения; воспроизвести опыты, демонстрирующие действия сил поверхностного натяжения; научиться определять коэффициент поверхностного натяжения (КПН) жидкости; измерить и сравнить КПН разных жидкостей; изучить влияние температуры жидкости на величину КПН.

Методы исследования: поиск и анализ материалов по данной теме в Интернете и литературе; проведение наблюдений и опытов; анализ полученных результатов.

Проявление сил поверхностного натяжения жидкости

Поверхностное натяжение жидкости – притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости.  При этом происходит стягивание поверхностного слоя появляется  молекулярное давление на жидкость, поверхность  жидкости  стягивается к минимуму.

Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна нулю. Молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь жидкости. Остаётся минимальное число молекул, образующих минимальную площадь поверхности жидкости при максимальном объёме. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму.

Таким образом, поверхностный слой жидкости представляет собой как бы эластичную растянутую плёнку, охватывающую всю жидкость и стремящуюся собрать её в одну «каплю». В невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех тел одинакового объёма).

Проявление сил поверхностного натяжения  воды.

• Струя воды «сливается» в цилиндр.

• Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения оказывается уравновешенной силой поверхностного натяжения. ( Рис. 1)

Рис 1 

• Некоторые насекомые ( водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на ее поверхности за счет силы поверхностного натяжения. ( Рис. 2)

Рис. 2.

• На многих поверхностях, именуемых не смачиваемыми, вода  ( или другая жидкость) собирается в капли.

Рис. 3

Опыт №1.

Выльется ли вода из сосуда, если в него опустить металлическую цепь? (сосуд наполнен до       краев)

 Мы медленно опускаем металлическую цепь в сосуд, не задевая краев. После того как цепь опустилась на дно, вода не вылилась. Поверхность воды в сосуде заметно поднялась, образовав мениск, но сила поверхностного натяжения удержала воду.

Опыт № 2.

Всегда ли металл тонет в воде ?

 Мы положил стальную скрепку на воду – она плавала на поверхности. Мы разогнули скрепку и она утонула. Лезвие в воде тоже не тонет. Не тонут иголки  и булавки.

Опыт № 3.

Может ли монета не тонуть?

 Мы попытались положить монету номиналом 1 коп. на поверхность воды, но она утонула. Затем мы проделали опыт с монетой 5 злотых (Польша, 1960 г, алюминий, масса - 3,45 г, диаметр -  3 см). Она не утонула. Мы решили проверить, может, дело в давлении тела на поверхность воды?

Вывод:

            В наших опытах не утонули тела, оказывающие давление на воду меньше 60 Па (табл. 1).

           По нашим расчетам, человеку массой 50 кг, чтобы оказывать давление на воду не более 60

           Па, надо иметь площадь поверхности опоры 1,2 м².

Таблица 1

Объект	Масса,  кг	Вес,  Н	Площадь,  м2	Давление,  Па	Результат
Водомерка	2,8 *10-5кг	2,8*10-4	37,68*10-6	7.4	Плавает
Скрепка(разогнут.)	0,0006	0,006	9,5*10-6	63	Тонет
Лезвие бритвы	0,0006	0,006	1*10-3	5,8	Плавает
Монета 1 коп	0,00148	0,0148	0,00017	87,05	Тонет
Монета 5 злотых	0,00654	0,0654	0,000452	144,7	Тонет

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом петли.

       1)Сила поверхностного натяжения действует по касательной к свободной поверхности.

        2)Сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине границы.

        3)Коэффициент пропорциональности называется «коэффициентом поверхностного натяжения».    Он показывает, какая сила действует на единицу длины границы.

       Силу поверхностного натяжения можно измерить специальным очень чувствительным динамометром.

       1.Мы подвешивали к динамометру проволочные рамки разной длины. 

       2.Измеряли силу, при которой происходил отрыв рамки от жидкости.

       3.Опыт проделывали 3 раза с рамками разной длины.

       4.Рассчитывали коэффициент поверхностного натяжения по формуле: б =F/(2l)

       5.Значения записывали в таблицу 2 .

       Вывод: Разные жидкости имеют разный КПН. Наибольший он у воды, а наименьший –у мыльного  раствора. Все моющие средства имеют маленький КПН. Благодаря этому они  легко проникают между  волокнами ткани и отстирывают грязь.

Жидкость(20*C)	L,мм	F,мН	КПН, мН/м	Среднее     значение	Табличное                                                       значение
Пресная вода из   крана	30;40;50	5,0;6,5;8,0	83,3;81,3;80,0	81,5	73
Мыльный   раствор	30;40;50	1,5;2,5;3,0	31,0;25,0;30,0	28,7	25
Масло подсолнечное	30;40;50	2,0;2,5;3,0	33,3;31,3;30,0	31,5	32
Глицерин	30;40;50	4,0;5,0;6,5	66,7;62,5;66,0	65,0	63

Изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры жидкости.

 Приборы и материалы: четыре стаканчика с водой разной температуры, четыре термометра, закрепленных в штативе , динамометр.

Результата    измерений мы занесли в таблицу 3.

ºТаблица 3

Температура	L,мм	F, мН	КПН, мН /м
20ºC	30	7,5	89,0
33ºC	30	4,5	75,0
52ºC	30	4	66,7
75ºC	30	3,5	58,3

        Вывод:  С увеличением температуры жидкости коэффициент поверхностного натяжения уменьшается нелинейно.

              Почему водомерки не тонут, может ли человек ходить по воде?

Волоски на лапках водомерки покрыты крошечными каналами, называемыми нано бороздками. Эти каналы удерживают пузырьки воздуха, которые образуют плавающую подушку.

Ящерица Василиск легко перебегает речку или маленькое озеро по поверхности воды. Хвост помогает ей удерживать равновесие при беге на воде. Она отпускает свои лапы на воду горизонтально, не успевая прорвать плёнку поверхностного натяжения воды. Василиск не бежит по воде, а быстро и мощно гребёт лапами, что позволяет ему удерживаться на поверхности и не тонуть. Пробежать, таким образом, ящерица может довольно длинную дистанцию в полкилометра со скоростью 12 км/час.

Более 1200 видов животных и насекомых могут ходить по воде. Сила поверхностного натяжения может удержать на поверхности воды лишь мелких насекомых. Ящерица Василиск удерживается благодаря генерированию силы, создаваемой ею при ударе по поверхности воды лапками (при сильном резком ударе воды ведёт себя подобно твёрдой поверхности ). В соответствии с исследованиями, проведёнными в 2006 году, человек, чтобы передвигаться по воде так же быстро, как ящерица Василиск, должен бежать по воде со скоростью 108 км/час, почти так же быстро, как гепард.   За последние 40 лет люди запатентовали более 50 устройств, пригодных для хождения по воде

Результаты работы

1.Воспроизвести опыты, демонстрирующие действие сил поверхностного натяжения. Удалось положить на поверхность воды скрепку, лезвие, булавки, иголки и монету.

            2.Методом петли определены коэффициенты поверхностного натяжения водопроводной воды (81,5 мН/м), мыльного раствора ( 28,7 м Н/м), подсолнечного масла (31,5 мН/м), глицерина (65,0 мН/м). Наибольший он оказался у воды, а наименьшим- у мыльного раствора.                                                        

            3.Изучено влияние температуры жидкости на величину КПН (при увеличении температуры воды от 20ºC  до 75ºC КПН уменьшается от 89,0 мН/м до 58,3 мН/м).

4.Изучены причины удержания на поверхности воды водомерки и ящерицы Василиска.

                 Выводы

1.Сила поверхностного натяжения играет большую роль в жизни насекомых. 

2.Силу поверхностного натяжения можно измерить милидинамометром.

3.Величина КПН зависит от рода жидкости.

4.Человека сила поверхностного натяжения удержать не может. Чтобы перемешаться по воде, надо создать воздушную оболочку, уменьшив давление на поверхность воды, или перемешаться по поверхности воды со скоростью не меньше 108 км/ч, опуская ноги на воду горизонтально, чтобы не прорвать плёнку поверхностного натяжения.