Вимірювання
поверхневого натягу методом лежить краплі (газового бульбашки).
Метод заснований
на визначенні діаметра і висоти газового бульбашки або краплі. Великі розміри
бульбашки сприяють його деформації в напрямку сили земного тяжіння.
Крім цього на деформацію впливає поверхневий натяг середовища, в
якої знаходиться бульбашку. Якщо мова йде про краплі, то кривизну поверхні
визначає поверхневий натяг рідини, що становить краплю.
Існує одна
цікава робота, присвячена виявленню закономірності між деформацією
бульбашки і поверхневим натягом: А. Ю. Кошевнік, М. М. Кусак, Н. М. Лубман,
ЖФХ, 27, вип. 12, стор 1887, 1953р. Слідуючи висновками авторів, можна стверджувати,
що поверхневий натяг обчислюється наступним чином (див. малюнок):
s = d2
r g/H,
де
d - діаметр
бульбашки;
r - щільність досліджуваної
середовища;
g - прискорення
вільного падіння;
1/H - параметр,
залежний від d/2h. Обчислюється за допомогою таблиці.
У скороченому
вигляді таблиця виглядає наступним чином:
d/2h
1/H
d/2h
1/H
1,15
0,3304
1,6
0,06132
1,2
0,2373
1,65
0,05527
1,25
0,1824
1,7
0,05018
1,3
0,1466
1,75
0,04584
1,35
0,1212
1,8
0,04211
1,4
0,1027
1,85
0,03886
1,45
0,0885
1,9
0,03604
1,5
0,07749
1,95
0,03353
1,55
0,06860
2,00
0,03132
На першу
погляд, досить складно зібрати експериментальну установку для визначення
поверхневого натягу. Перше, що спадає на думку - це використовувати
Катетометри, який дозволяє визначати розміри предмета на відстані.
Однак, такий прилад дуже доріг, особливо у наш час. Можливість
використання гарною фотографічної апаратури теж ентузіазму не викликає.
Мій особистий досвід
показує, що можна обійтися більш дешевими засобами. Свого часу я
займався фотографуванням газових бульбашок методом експонування
зображення безпосередньо на фотопапір формату А4. В основі установки був
розібраний фільмоскоп, джерело світла якого висвітлював кювету з досліджуваної
рідиною, а об'єктив проектували велике зображення на екран з фотопапером.
Фокусна відстань об'єктива було 78 мм.
Конструкція
кювети була простіше нікуди: звичайна спектрофотометричних кювету (l = 5 см)
накрита покривним склом. Під скло видував бульбашка повітря. Кювета стояла
в лотку з піском, щоб її можна було легко вирівняти вдавленням в пісок з
допомогою бульбашкового рівня.
Перш ніж
домогтися задовільних результатів, мені довелося подолати проблему з
калібруванням. Слід було знайти необхідну еталон з відомими розмірами і
помістити його точно в те місце, де перед цим перебував бульбашка повітря.
Добре підійшов як еталон кулька від підшипника. Оскільки він ідеально
круглий, дуже легко підрахувати вертикальну та горизонтальну поправки. Я маю на
увазі ту обставину, що зображення кульки не буде круглим, оскільки
екран, на який проектується зображення, розташовується не строго
перпендикулярно оптичної осі об'єктиву, а поправки дозволять обчислювати
істинні величини висоти і ширини проектованого об'єкта.
Проблему з
позиціонуванням кульки і бульбашки повітря я вирішив теж просто: над
позиціонуються об'єктом я помістив звичайну трубку з діаметром, приблизно
рівним діаметру кульки і бульбашки. Якщо дивитися через неї, не наближаючи до очей
трубці, то можна домогтися того, що краю трубки і краю кульки будуть близькі. Це
означає, що об'єкт можна буде досить точно поміщати в один і теж місце.
Самі за себе говорять результати вимірювань розміру кульки:
Результати
виміру зображення кульки діаметром 7,938 мм при температурі 220С.
N досвіду
висота, мм
ширина, мм
1
169,4
170,4
2
169,5
170,25
3
169,6
170,25
середня
169,5
170,3
Нескладний
розрахунок показує, що помилка операції позиціонування і виміру становить
0,06%.
Про алгоритмі
вимірювання параметрів газового бульбашки я можу розповідати довго і з захопленням,
але в цей час, коли можна без труднощів знайти комп'ютер зі сканером, це
нікому не цікаво.
Скажу одне: у
обробки зображень об'єктів еліптичної форми без комп'ютера я досяг успіху.
Робив я це з допомогою штангенциркуля, прозорої плівки для епідіаскопа,
швейної голки і лінійки.
Не потрібно
говорити про те, що для зменшення помилки досліди потрібно проводити серіями. Кожна
серія повинна складатися з фотографування еталона (кульки) і аналізується
об'єкта (краплі або бульбашки). Фотографування повинно проводитися на фотопапері
однієї партії. Після прояви, ступінь вологості фотопаперу повинна бути
однаковою.
Якість
обробки зображень було під стать точності позиціювання бульбашки повітря.
Результати експериментів, проведених на одному бульбашці, були наступними:
N досвіду
h, мм
d, мм
1
78,65
252,5
2
78,6
252,2
3
78,6
252,35
середня
78,6
252,4
*) У кожному
досвіді бульбашка заново позиціонувався.
Отримані
результати дозволяють сподіватися, що можна проводити вимірювання поверхневого
натягу з точністю 0,1 дин/см.
Тільки в одному
я не досяг успіху. Я наївно вважав, що покривне скло, під яке видував
бульбашка, може бути шорстким (матовим). Шорсткість була потрібна для того,
щоб утримувати бульбашка на одному місці. Однак виявилося, що шорсткувате
скло не дозволяє домогтися відтворених результатів. Мабуть, слід
використовувати слабовогнутое скло, благо це випробувано в ряді робіт.
Список
літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.novedu.ru/
