Капілярний ефект

Капілярний ефект — явище підвищення або зниження рівня рідини у капілярах в порівнянні з тим значенням, яке вимагає закон сполучених посудин.

Капілярний ефект у тонких трубках різної товщини й з різним змочуванням

Капілярний ефект виникає через зниження або збільшення тиску рідини під меніском, який утворюється при змочуванні рідиною стінок капіляра.

Величина підвищення або зниження h залежить від радіуса капіляра r, а також від кута змочування рідиною стінок ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle h={2{\gamma \cos {\theta }} \over {\rho gr}}}$,

де ${\displaystyle \gamma }$ — коефіцієнт поверхневого натягу рідини, ${\displaystyle \rho }$ — густина рідини, g — прискорення вільного падіння.

Приклад капілярного ефекту — всмоктування розлитої води серветкою.

Етимологія

Капіляр походить від латинського слова capillaris, що означає "з волосся або схожий на волосся". Це значення походить від крихітного, схожого на волосину діаметру капіляра. Хоча капіляр зазвичай вживається як іменник, це слово також використовується, як прикметник, як, наприклад, "капілярна дія", при якій рідина рухається вздовж, навіть вгору, проти сили тяжіння, оскільки рідина притягується до внутрішньої поверхні капілярів.

Історія

Перше зафіксоване спостереження капілярної дії належить Леонардо да Вінчі.^[1][2] Колишній учень Галілея, Нікколо Аггіунті, як кажуть, досліджував капілярну дію.^[3] У 1660 році капілярна дія все ще була в новинку для ірландського хіміка Роберта Бойля, коли він повідомив, що "деякі допитливі французи" помітили, що коли капілярну трубку занурити у воду, вода підніметься на "деяку висоту в трубі". Потім Бойль повідомив про експеримент, в якому він занурив капілярну трубку в червоне вино, а потім помістив трубку в частковий вакуум. Він виявив, що вакуум не мав помітного впливу на висоту рідини в капілярі, отже, поведінка рідин у капілярних трубках була зумовлена якимось явищем, відмінним від того, яке керувало ртутними барометрами.^[4]

Деякі (наприклад, Оноре Фабрі,^[5] Якоб Бернуллі^[6]) вважали, що рідини піднімаються в капілярах тому, що повітря не може проникати в капіляри так легко, як рідини, тому тиск повітря всередині капілярів нижчий.

Інші (наприклад, Ісаак Фоссіус,^[7] Джованні Альфонсо Бореллі,^[8] Луї Карре,^[9] Френсіс Хоксбі,^[10] Йосія Вайтбрехт^[11]) вважали, що частинки рідини притягуються одна до одної, та до стінок капіляра.

Хоча експериментальні дослідження тривали протягом 18 століття,^[12] успішне кількісне трактування капілярної дії^[13] не було досягнуто до 1805 року. Двом дослідникам: Томасом Янгом з Великої Британії^[14] та П'єром-Симоном Лапласом з Франції^[15]. Вони вивели рівняння капілярної дії Янга-Лапласа. До 1830 року німецький математик Карл Фрідріх Гаусс визначив граничні умови капілярної дії (тобто умови на межі розділу рідина-тверде тіло).^[16]

1871 року британський фізик сер Вільям Томсон (пізніше лорд Кельвін) визначив вплив меніска на тиск пари рідини - співвідношення, відоме як рівняння Кельвіна^[16]. Згодом німецький фізик Франц Ернст Нейман (1798-1895) визначив взаємодію між двома незмішуваними рідинами.^[17]

Перша стаття Альберта Ейнштейна, яка була подана до "Annalen der Physik" у 1900 році, була присвячена капілярності.^[18]

Див. також

• Капіляри

Література

• Біленко І. І. Фізичний словник. — К.: Вища школа, Головне видав. 1979. — 336 с.
• Физическая энциклопедия. Т.2. Гл.ред. А. М. Прохоров. М.:Сов.энциклопедия. 1988.
• Айвазов В. В. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции.- М.: Высшая школа, 1973. — 206 с.
• Інженерна геологія (з основами геотехніки): підручник для студентів вищих навчальних закладів /Колектив авторів: В. Г. Суярко, В. М. Величко, О. В. Гаврилюк, В. В. Сухов, О. В. Нижник, В. С. Білецький, А. В. Матвєєв, О. А. Улицький, О. В. Чуєнко.; за заг. ред. проф. В. Г. Суярка. — Харків: Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, 2019. — 278 с.

1. Manuscripts of Léonardo de Vinci (Paris), vol. N, folios 11, 67, and 74. Guillaume Libri, Histoire des sciences mathématiques en Italie, depuis la Renaissance des lettres jusqu'a la fin du dix-septième siecle [History of the mathematical sciences in Italy, from the Renaissance until the end of the seventeenth century] (Paris, France: Jules Renouard et cie., 1840), vol. 3, page 54 Archived 2016-12-24 at the Wayback Machine. From page 54: "Enfin, deux observations capitales, celle de l'action capillaire (7) et celle de la diffraction (8), dont jusqu'à présent on avait méconnu le véritable auteur, sont dues également à ce brillant génie." (Finally, two major observations, that of capillary action (7) and that of diffraction (8), the true author of which until now had not been recognized, are also due to this brilliant genius.) C. Wolf (1857) "Vom Einfluss der Temperatur auf die Erscheinungen in Haarröhrchen" (On the influence of temperature on phenomena in capillary tubes) Annalen der Physik und Chemie, 101 (177) : 550–576 ; see footnote on page 551 Archived 2014-06-29 at the Wayback Machine by editor Johann C. Poggendorff. From page 551: " ... nach Libri (Hist. des sciences math. en Italie, T. III, p. 54) in den zu Paris aufbewahrten Handschriften des grossen Künstlers Leonardo da Vinci (gestorben 1519) schon Beobachtungen dieser Art vorfinden; ... " ( ... according to Libri (History of the mathematical sciences in Italy, vol. 3, p. 54) observations of this kind [i.e., of capillary action] are already to be found in the manuscripts of the great artist Leonardo da Vinci (died 1519), which are preserved in Paris; ... )
2. More detailed histories of research on capillary action can be found in: David Brewster, ed., Edinburgh Encyclopaedia (Philadelphia, Pennsylvania: Joseph and Edward Parker, 1832), volume 10, pp. 805–823 Archived 2016-12-24 at the Wayback Machine. John Uri Lloyd (1902) "References to capillarity to the end of the year 1900," Archived 2014-12-14 at the Wayback Machine Bulletin of the Lloyd Library and Museum of Botany, Pharmacy and Materia Medica, 1 (4) : 99–204.
3. Nelli, Giovan Battista Clemente (1759). Saggio di storia letteraria fiorentina del secolo XVII: scritta in varie lettere (італ.). Appresso Vincenzo Giuntini.
4. Boyle, Robert - New experiments physico-mechanicall, touching the spring of the air and its effects. web.archive.org. 5 березня 2014. Архів оригіналу за 5 березня 2014. Процитовано 23 березня 2023.
5. Dialogi physici in quibus de motu terrae disputatur, marini aestus nova ... - Honoré Fabri - Google Books. web.archive.org. 24 грудня 2016. Архів оригіналу за 24 грудня 2016. Процитовано 23 березня 2023.
6. Bernoulli, Jakob (1683). Dissertatio de gravitate Aetheris (лат.).
7. Vossius, Isaac (1666). De Nili et aliorum fluminum origine (лат.). Ex typographia Adriani Vlacq.
8. Borelli, Giovanni Alfonso - De motionibus naturalibus a gravitate pendentibus. echo.mpiwg-berlin.mpg.de. Процитовано 23 березня 2023.
9. texte, Académie des sciences (France) Auteur du (1705). Histoire de l'Académie royale des sciences ... avec les mémoires de mathématique & de physique... tirez des registres de cette Académie. Gallica (фр.). Процитовано 23 березня 2023.
10. Britain), Royal Society (Great (1708). Philosophical Transactions, Giving Some Account of the Present Undertakings, Studies, and Labours of the Ingenious, in Many Considerable Parts of the World (англ.). C. Davis, Printer to the Royal Society of London.
11. Commentarii Academiae scientiarum imperialis Petropolitanae (лат.). Academiae scientiarum imperialis Petropolitanae. 1736.
12. Natural History Museum Library, London (1789). Histoire de l'Académie royale des sciences, avec les mémoires de mathématique et de physique. Paris.
13. Clairaut, Alexis Claude (1713-1765) Auteur du texte (1743). Théorie de la figure de la terre : tirée des principes de l'hydrostatique / par M. Clairaut,... (фр.).
14. Philosophical Transactions of the Royal Society of London (англ.). W. Bowyer and J. Nichols for Lockyer Davis, printer to the Royal Society. 1805.
15. Laplace, Pierre Simon marquis de (1805). Traité de mécanique céleste (фр.). Chez J.B.M. Duprat.
16. The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (англ.). Taylor & Francis. 1871.
17. Neumann, F. E.; Wangerin, A. (1894). Vorlesungen über die Theorie der Capillarität, gehalten an der Universität Königsberg von Franz Neumann. Vorlesungen über mathematische physik.[7. hft.] Leipzig: B. G. Teubner.
18. Spindler, Paul (de Chemnitz) Auteur du texte; Meyer, Georg (1857-1950) Auteur du texte; Meerburg, Jacob Hendrik Auteur du texte (1901). Annalen der Physik. Gallica (фр.). Процитовано 23 березня 2023.