Движитель для лодки на основе явления поверхностного натяжения жидкости (эффект Марангони - Гиббса)

Явление поверхностного натяжения жидкости известно давно, и с изобретением нового материала - наноцеллюлозы появилась возможность создать интересный движитель для игрушечной модели лодки.

В одном из выпусков журнала "Chemical Science" (24 от 24 2012 года) была опубликована статья, описывающая модель лодки, движущейся за счёт испарения поверхностно-активного вещества. В качестве этого вещества используется спирт, химическая энергия которого преобразуется в механическую, эта энергия и приводит модель лодки в движение. Испаряясь, спирт проникает через мембрану (непроницаемый для жидкости корпус лодки, изготовленный из наноцеллюлозы), что приводит к снижению поверхностного натяжения воды в кормовой части. Из-за разницы поверхностных натяжений воды спереди и сзади лодки происходит её движение вперёд.

Изменение величины поверхностного натяжения воды приводит лодку в движение

Интересно отметить, что аналогичный движитель описывался в книге "Занимательные опыты по физике" (Л.А Горев, 1985 год):

Из картона вырежьте пластинку, форма которой показана на рисунке, и опустите её на поверхность воды, налитой в стеклянную ванну достаточно больших размеров, например диаметром 35 см и высотой 10 см. В центр выреза картона положите на воду кристаллик камфары. Пластинка на длительное время приходит в движение. Почему?

Лодка с двигателем на основе камфоры

Аналогичное описание похожего движителя есть в учебнике физики (Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика. т. II. Д.В. Сивухин. М., Наука, 1990):

Многие явления объясняются тем, что поверхностное натяжение у разных жидкостей не одинаково. Возьмём, например, маленькую модель кораблика из жести, в корме которой сделано небольшое отверстие. Нальём в кораблик немного эфира, чтобы уровень свободной поверхности эфира был несколько выше отверстия. Затем пустим кораблик плавать на поверхности воды. Тогда он начнёт двигаться вперёд, т. е. в направлении от кормы к носу. Явление объясняется тем, что поверхностное натяжение эфира меньше поверхностного натяжения воды. Эфир, просачивающийся через отверстие в корме, покрывает поверхность воды сзади кораблика тонким слоем. Поверхностное натяжение эфира тянет кораблик назад. Однако эта сила меньше силы поверхностного натяжения воды, которая тянет его вперёд. Результирующая этих двух сил направлена вперёд и приводит кораблик в движение.

То же явление наблюдается, когда маленькие кусочки камфоры бросают на поверхность чистой воды. Камфора медленно растворяется в воде и уменьшает её поверхностное натяжение. Скорость растворения в различных местах кусочка камфоры не одинакова и зависит от его формы. Она больше вблизи выступающих острых концов кусочка. В результате образуется разность поверхностных натяжений, приводящая кусочек камфоры в беспорядочное и интенсивное вращательное и поступательное движение. Явление наблюдается только тогда, когда поверхность воды достаточно чистая. Тонкий слой жира уменьшает поверхностное натяжение воды настолько, что растворение камфоры не может уже произвести его дальнейшего уменьшения. Согласно Релею, движение камфоры прекращается, когда толщина слоя масла на поверхности воды достигает 2*10-7 см. В этом случае поверхностное натяжение воды на 28% меньше, чем для чистой поверхности воды. Слой масла толщиной 1*10-7 см и ниже, согласно Релею, практически не оказывает никакого влияния на поверхностное натяжение воды.

И ещё одно описание движителя на основе поверхностного натяжения жидкости было опубликовано в журнале "Квант", 1982 год, №11:

Движущаяся «ракета» и расходящиеся кольца.

Вырежьте из бумаги «ракету» такой формы, как показано на рисунке 1, а. В точку А поместите капельку концентрированного мыльного раствора или маленький кусочек мыла. Если теперь опустить ракету на спокойную поверхность воды, то она начнёт двигаться.

Ракета и вертушка

Вместо «ракеты» можно сделать вертушку в форме буквы S и поместить кусочки мыла в точки А и А' (рис. 1, б). Понаблюдайте, в какую сторону будет вращаться вертушка.

BACKHOME