Asi každý už někdy viděl drobný hmyz, který se elegantně klouzal po vodní hladině, aniž by si smočil víc než jen konečky svých drobných nožiček. Tito živočichové, trefně označovaní jako vodoměrky, využívají ke svému pohybu jevu, který se nazývá povrchové napětí. Ten jim umožňuje pohybovat se po hladině, aniž by se potopili. Zkuste si s povrchovým napětím zaexperimentovat. Povrchové napětí kapalin funguje tak, že se povrch kapaliny chová jako pružná membrána. Příčinou jsou přitažlivé síly mezi molekulami kapaliny. V důsledku jejich působení se molekuly snaží dostat se co nejblíže k sobě takovým způsobem, aby kapalina měla co nejmenší povrch. Velice hezkým příkladem jsou padající drobné vodní kapičky. Ty jsou díky povrchovému napětí „sbaleny“ do kulového tvaru, protože právě v takovém případě je povrch kapičky nejmenší.
Díky povrchovému napětí plavou na hladině kapaliny i předměty, které by se měly spíše potopit. Experimentálně si to můžete vyzkoušet třeba se starými deseti-, dvaceti- či padesátihaléřovými mincemi. Pokud je neseženete, použijte nějaký podobný tenký kovový předmět, například žiletku.
Nalijte do misky studenou vodu, nechte hladinu uklidnit, uchopte do dvou prstů minci a opatrně ji položte ve vodorovné poloze na hladinu - mince zůstane plavat. Kapalina po obvodu mince je zřetelně deformovaná a vypadá jako prohnutá blanka. Přesto se mince nepotopí. Tíže mince, která působí deformaci hladiny a stahuje minci ke dnu, je totiž kompenzována povrchovým napětím. Stejný jev drží nad hladinou i vodoměrky. Povrchové napětí je však schopné udržet na hladině pouze lehčí předměty. Se současnou korunovou mincí se proto pokus již nezdaří.
Zkuste na vodu naskládat více padesátníků nebo žiletek. Pokud je bude dělit vzdálenost přibližně jednoho centimetru, začnou se podivně přitahovat. I toto chování je způsobeno povrchovým napětím, respektive deformací hladiny v okolí mince. Řečeno velmi jednoduše -mezi blízkými mincemi dochází k dalšímu poklesu hladiny a mince tak v podstatě sklouznou přímo k sobě. Časem se takto spojí všechny padesátníky v misce.
Raketa na mýdlový pohon Povrchové napětí lze využít i ke stavbě rakety. Nevěříte? Vystřihněte si z kousku tvrdšího a málo nasákavého papíru trojúhelníček (raketu) o délce několika centimetrů jako na obrázku. Do jeho středu vyřežte díru o průměru cca půl centimetru (palivová nádrž) a směrem od ní vystřihněte tenkou trysku až k základně trojúhelníku. Poté položte tuto raketu opatrně na vodní hladinu do větší misky tak, aby špičkou směřovala od okraje nádoby. Následně kápněte do středového otvoru jednu kapku mýdlové vody či saponátu naředěného vodou. Raketa rychle vystřelí vpřed.
Proč se raketa pohnula? Vysvětlení souvisí s odlišnými vlastnostmi mýdlové vody, která má nižší povrchové napětí než voda čistá. Jakmile začne mýdlová voda vytékat tryskou za raketu, poklesne v této oblasti povrchové napětí. Před špičkou rakety však zůstává čistá voda s vyšším povrchovým napětím, které doslova vytáhne raketu směrem kupředu.
Vysoké povrchové napětí čisté vody může vést k tomu, že se povrch určité látky smáčí jen obtížně. Voda na něm ulpívá spíše v podobě drobných kapiček, což způsobuje problémy zejména při čištění a praní. Ke snížení povrchového napětí se používají tzv. tenzidy (například saponáty), které smáčení usnadňují, a voda tak lépe proniká k nečistotám. Ze stejného důvodu používáme při mytí rukou mýdlo, v jehož případě se ovšem uplatňuje několik čisticích efektů najednou.
Sítko ovládnuté napětím Bez povrchového napětí by nefungovalo ani moderní outdoorové oblečení, které využívá nejrůznějších membrán. Klasickým případem je třeba Goretex. Materiál těchto látek obsahuje obrovské množství velice malých otvorů. Zatímco mikroskopické molekuly vodní páry přes tyto otvory snadno projdou a bota či mikina díky tomu „dýchá“, větší vodní kapky zůstanou uvězněny na povrchu oblečení. Pokud by totiž měly projít přes otvor v membráně dovnitř, musely by se zúžit a natáhnout. Tím by však zvětšily svůj povrch, čemuž brání povrchové napětí. Kapky si proto zachovávají kulový tvar a zůstávají na vnější straně oblečení.
Na podobném principu funguje i poslední experiment. Budete k němu potřebovat rozevíratelné sítko na čaj z jemné kovové síťoviny (složené ze dvou polokoulí) a sklenici s vodou. Sítko by nemělo mít průměr větší než čtyři centimetry. Ponořte sítko pozvolna do vody a počkejte, až se zcela naplní. Pomalým pohybem jej poté opět vytáhněte ven.
Pokud k sobě okraje sítka těsně doléhají, voda ze sítka nevyteče ani po vytažení na vzduch. Jak je to možné? Důvod je jednoduchý -mezi oky sítka se vytvořily membrány tvořené vodou, které jsou „v zajetí“ povrchového napětí. Díky němu se nemohou dostatečně prohnout a zdeformovat tak, aby do sítka pronikl vzduch a voda mohla vytéct. Je vidět, že povrchové napětí je i tam, kde bychom ho vůbec nečekali.
***
Tanec mincí i vodní raketa Padesátníky položené na vodní hladině se vzájemně přitahují. Papírová raketa zase funguje na mýdlový pohon. A voda „uvězněná“ v děravém sítku na čaj. Tyto i další experimenty svědčí o existenci povrchového napětí kapalin.
větší miska padesátníky čtvrtka papíru
Pomůcky a chemikálie:
tužka nůžky skalpel
kapátko voda saponát či mýdlo
rozevíratelné kovové sítko na čaj
Hladina v okolí mince je zřetelně prohnutá a chová se jako pružná membrána
Pokud se k sobě dostanou mince příliš blízko, začnou se vzájemně přitahovat
Nalijte do misky vodu a na hladinu opatrně položte lehkou minci
Z kousku tvrdšího a nenasákavého papíru vystřihněte tvar rakety, do jejího středu vyřežte otvor a trysku
Položte raketu opatrně na vodní hladinu a kápněte do ní jednu kapku mýdlové vody
Ponořte rozevíratelné kovové sítko na čaj pomalu do vody, počkejte, až se zcela naplní a zkuste ho pozvolna vytáhnout ven; pokud budete mít štěstí, voda zůstane uvnitř sítka
O autorovi| JAN PÍŠALA, Autor je chemik a pracuje ve Hvězdárně a planetáriu Mikuláše Koperníka v Brně
