2.84. Капли и жидкие пленки на твердой поверхности

Почему некоторые жидкости растекаются по твердым поверхностям, например по стеклянной столешнице, а другие образуют на них капельки? Почему иногда капельки удерживаются на наклоненной поверхности, даже свисая с нее?

Почему нижний конец жидкой пленки, стекающей со слегка наклоненной поверхности, как правило, либо неровный либо растекается струйками и образует пятна? Обычно так и происходит, когда резиновым скребком очищают наклонное ветровое стекло машины от мыльной воды или стеклоочистителя. Проведите скребком вниз и остановитесь, не доведя его до конца. Почему жидкость разбивается на стекающие по ветровому стеклу ручейки?

Почему обычно дождевая вода не стекает равномерно по вертикальной бетонной стене жилого дома? Почему, когда вода понемножку просачивается в пещеру, чаще всего образуются конические сталактиты?

ОТВЕТ • За то, как жидкость растекается по горизонтальной твердой поверхности, отвечают силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами твердого тела. Если притяжение сильное, жидкость растекается по поверхности. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность. Если притяжение слабое, жидкость стремится образовывать капли. Часто для характеристики смачивания (или капель на поверхности) используют так называемый угол смачивания. Если этот угол небольшой, жидкость смачивает твердую поверхность, при большом угле смачивания на ней образуются капли. Однако угол смачивания — не слишком надежная характеристика, поскольку в реальной ситуации (при реальной жидкости на реальной, микроскопически шероховатой твердой поверхности и с поверхностными загрязнениями) он может варьироваться в широком интервале значений.

Детали процесса растекания жидкости по твердой поверхности до конца неясны, поскольку для их описания необходимо учитывать межатомные взаимодействия. Во многих случаях край жидкости перемещается только благодаря тому, что чуть впереди него течет очень тонкая пленка-предвестник: молекулы пленки притягивают молекулы капли, продвигая край капли вперед. Иногда край цепляется за какой-то дефект поверхности или точку сильного притяжения и застревает на этих местах. Если капля начинает испаряться, ее передняя кромка стремится сжаться, но опять может где-то зацепиться, и тогда пленка будет сжиматься неравномерно (говорят об уменьшении смачивающей способности).

Некоторые вязкие жидкости, такие как масла и глицерин, своеобразно стекают с наклоненной поверхности. Двигающаяся вперед жидкость быстро разбивается на язычки, расположенные на равных расстояниях друг от друга. Эти язычки стекают вниз быстрее, чем области между ними. Язычки образуются из-за того, что край стекающей жидкости нестабилен и случайные возмущения приводят к образованию волн, распространяющихся вдоль него. Одна из таких волн оказывает наибольшее влияние на край стекающей жидкости. Она приводит к образованию расположенных на равном расстоянии сильных, стекающих вниз потоков.

В точках, где текущая по наклонной плоскости жидкая пленка цепляется за поверхность, ее равномерное продвижение вперед нарушается. Результаты этой нестабильности видны на ветровом стекле, с которого скребком сгоняют мыльную воду. Когда дождевая вода стекает по вертикальной бетонной стене, обычно ее передний край движется к земле неравномерно. Из места, где вода может двигаться быстрее, потоки воды устремляются вниз и в стороны.

Сталактиты состоят из карбоната кальция, который осаждается из воды, просачивающейся в пещеру. Вода, поступающая с потолка пещеры, стекает вниз к вершине сталактита. Здесь она задерживается и испаряется, именно здесь происходит самое интенсивное осаждение, и сталактит растет быстрее в длину, чем в ширину. Так образуются широко распространенные кальцитовые образования, ассоциирующиеся у нас с идеальными сталактитами. Однако, если скорость просачивания воды мала по сравнению со скоростью осаждения, могут образовываться сталактиты других форм, такие как стержни и причудливо ветвящиеся структуры, известные как геликтиты.