¿Por qué las monedas flotan en el agua?
Mientras estudiaba los altibajos de los objetos, un compañero descubrió accidentalmente un fenómeno interesante: cuando se colocaba una regla de plástico vertical (u horizontal) sobre el agua, descubrió que la regla se hundía rápidamente; Puso la regla sobre el agua y descubrió que la regla flotaba en el agua.
Cuando la regla se coloca verticalmente (o de lado) sobre el agua, dado que la flotabilidad de la regla es menor que su propia gravedad, la regla se hunde, entonces ¿por qué la regla flota en el agua cuando está? colocado plano? Según los altibajos del objeto, la fuerza de flotabilidad del objeto cuando flota es igual a la gravedad. ¿No son los dos contradictorios? ¿Cuál es el meollo del problema?
En el capítulo "Propiedades de los sólidos y líquidos" del primer volumen del libro de texto de física de secundaria, hay un pequeño experimento: se pide a los estudiantes que utilicen un pañuelo de papel para colocar una aguja de coser en el agua. Cuando el papel de seda se empape en agua y se hunda, observe el fenómeno y explique el motivo. Muchos estudiantes piensan que la aguja de coser flota en el agua debido a la tensión superficial del líquido. La razón por la que la aguja flota en el agua es el equilibrio de la gravedad, la flotabilidad y la tensión superficial del líquido.
Entonces, primero comprendamos la tensión superficial de los líquidos.
¿Cuál es la tensión superficial del líquido?
Cuando las moléculas cercanas a la superficie del líquido se mueven hacia afuera desde la posición de equilibrio, la fuerza repelente del aire exterior y las moléculas de vapor sobre ellas es muy pequeña. no jugó un papel importante. Solo es atraído por las moléculas internas, por lo que la fuerza que lo devuelve a la posición de equilibrio no es tan grande como en el líquido. Esto hace que la amplitud de vibración de las moléculas de la superficie sea mayor que la de algunas moléculas con alta energía cinética. puede salir del rango de succión y convertirse en moléculas de vapor, lo que hace que la distribución de las moléculas en la superficie sea más escasa que en el líquido, y la distancia entre las moléculas es relativamente grande (r >: R0 Es precisamente debido a la escasa distribución). de moléculas dentro de la superficie del líquido, el espaciamiento molecular r > R0, y la atracción intermolecular dominante, lo que resulta en la tensión superficial del líquido. Por tanto, la esencia de la tensión superficial del líquido es la fuerza resultante de las interacciones intermoleculares, dirigidas hacia el interior del líquido. Se puede ver que la fuerza que sostiene la moneda no puede ser la tensión superficial del líquido. Entonces veamos la flotabilidad.
Primero hagamos un experimento: coloque un trozo de papel de filtro en la superficie del vaso lleno de agua y ponga una moneda de diez centavos en el papel de filtro. Después de que el papel de filtro se empapó y se hundió, se descubrió que la moneda todavía flotaba en el agua. Preste atención alrededor de la moneda y encontrará que la superficie del agua es cóncava hacia abajo y la moneda no está sumergida en el agua, sino flotando en el agua. Se puede ver que la moneda no se ve afectada por la flotabilidad en este momento. ¿Cuál es el equilibrio de fuerzas y gravedad que mantiene la moneda a flote?
Se puede ver en el fenómeno experimental anterior que la superficie del agua se deforma hacia abajo, generando así una fuerza elástica en la dirección opuesta a la deformación: una fuerza de soporte. Esto es como colocar un objeto sobre un globo inflado. El globo se deforma (se hunde hacia abajo) debido a la gravedad del objeto, creando una fuerza de soporte vertical. Es esta fuerza de soporte, igual y opuesta a la gravedad, la que hace que la moneda flote en el agua. (La regla de plástico y la aguja de coser que flotan en el agua en el experimento anterior son iguales).
¿Por qué las reglas, las agujas de coser y las monedas se hunden hasta el fondo cuando se colocan horizontal o verticalmente? Tomemos como ejemplo las monedas. Cuando se coloca horizontal o verticalmente, el área de fuerza de la superficie del líquido es pequeña, la presión es grande y el efecto de presión es significativo, esto es como usar tacones altos y pisar la arena. la arena y las monedas se hundirán en el agua, rompiéndose así. La deformación elástica de la superficie del agua hace que el soporte del contador de agua ya no exista. En este momento, la moneda sólo se ve afectada por la flotabilidad y la gravedad, y debido a que la gravedad es mayor que la flotabilidad, la moneda se hunde rápidamente hasta el fondo del agua. Cuando la moneda se coloca plana, la presión sobre la superficie del agua es muy pequeña, por lo que el fenómeno anterior no ocurrirá y la moneda flotará en la superficie del agua y mantendrá el equilibrio. Hay muchos fenómenos similares en la naturaleza. Lo mismo ocurre con algunos insectos pequeños que pueden correr o permanecer en la superficie del agua sin meterse al agua.