Hoe oppervlaktespanning te meten

Oppervlaktespanning verwijst naar het vermogen van een vloeistof om weerstand te bieden aan de zwaartekracht. Water vormt bijvoorbeeld druppels op een tafel omdat de watermoleculen aan de oppervlakte samen tegen de zwaartekracht in staan.^[1] Door oppervlaktespanning kan een dichter voorwerp, zoals een insect, op het wateroppervlak drijven. Oppervlaktespanning wordt gemeten door de hoeveelheid kracht (N) uitgeoefend op een eenheid zoals lengte (m) of de hoeveelheid energie van een gemeten oppervlak. Deze worden gemeten als Newton per meter (of N / meter).^[2] De krachten die watermoleculen op elkaar uitoefenen, of cohesieve krachten, veroorzaken de spanning en zijn verantwoordelijk voor de vorm van water (of andere vloeistof) druppels. U kunt de oppervlaktespanning meten met een paar huishoudelijke artikelen en een rekenmachine.

Methode één van de drie:
Oppervlaktespanning meten met een balansbalk

1. 1 Definieer de vergelijking om op te lossen voor oppervlaktespanning. In dit experiment wordt de vergelijking voor oppervlaktespanning bepaald door de vergelijking F = 2sd. F is de kracht in newtons (N), s is de oppervlaktespanning in (N / m), en d is de lengte van de naald die in het experiment is gebruikt. Herschikking van de vergelijking om op te lossen voor opbrengsten aan oppervlaktespanning s = F / 2d.
   • De kracht wordt aan het einde van het experiment berekend.
   • Meet de lengte van de naald in meters met behulp van een liniaal voordat u het experiment start.
2. 2 Construeer een kleine balansbalk.^[3] In dit experiment gebruikt u een evenwichtsbalk en een kleine naald die op het wateroppervlak drijft om de oppervlaktespanning te meten. De balansbalk moet goed zijn opgebouwd, zodat u een nauwkeurig resultaat kunt krijgen. Je kunt hiervoor veel verschillende soorten materialen gebruiken, zorg er alleen voor dat de middenbalk iets stevig is zoals hout, plastic of stevig karton.
   • Markeer het midden van het materiaal dat moet worden gebruikt voor uw straal (stro, plastic liniaal) en boor of steek er een gat doorheen; dit is het draaipunt (het punt waar de straal vrij kan draaien). Als je een plastic rietje gebruikt, kun je een speld of spijker er gewoon doorheen prikken.
   • Boor of steek een gat aan elk uiteinde van de balk en zorg ervoor dat deze zich op dezelfde afstand van het midden bevinden. Rijg een draad door elk gat om als houders voor de balansschalen te dienen. Zorg ervoor dat er aan elk uiteinde een reeks is voor elk gat.
   • Laat de spijker horizontaal tussen twee stapels boeken rusten zodat de middenbundel vrij kan draaien.
3. 3 Vouw een stuk aluminiumfolie om een ​​doos of schaal te vormen. Het gerecht hoeft niet precies vierkant of rond te zijn. Het gerecht wordt gevuld met water of een ander gewicht, dus zorg ervoor dat het stevig genoeg is om dit te ondersteunen.
   • Hang de doos of schaal aan het ene uiteinde van de balk. Steek kleine gaten in de zijkanten van de schaal en rijg de draad door om de schaal omhoog te houden.
4. 4 Hang een naald of paperclip horizontaal aan het andere uiteinde van de balk met draad. Bevestig aan de andere kant van de balk een paperclip of naald aan het uiteinde van de snaar zodat deze plat ligt. Om het experiment te laten werken, is het belangrijk dat de paperclip of naald horizontaal is.
5. 5 Plaats een stuk materiaal zoals klei of speel-doh op de balk om de aluminium container tegen te werken. Voordat u met het experiment begint, moet u ervoor zorgen dat de ligger plat ligt. De schaal zal zwaarder zijn dan de naald, waardoor de balk in de richting van de schaal zal zakken. Voeg voldoende klei toe aan de andere kant van de balk zodat de balk waterpas is.
   • Dit wordt tegengewicht genoemd. De klei heeft geen invloed op de berekeningen omdat deze de balk uitbalanceert.
6. 6 Plaats de naald of paperclip die aan de balk hangt in een bak met water. Deze stap kan wat extra inspanning vergen om ervoor te zorgen dat de naald alleen op de bovenkant van het wateroppervlak rust. U wilt niet dat de naald in het water ondergedompeld wordt. Vul een container met water (of een andere vloeistof met onbekende oppervlaktespanning) en plaats deze onder de naald op een hoogte die de naald toelaat om direct bovenop het oppervlak te rusten.
   • Zorg ervoor dat de snaar die de naald op zijn plaats houdt strak blijft staan ​​zodra de naald zich op het water bevindt.
7. 7 Weeg een aantal pinnen of meerdere gemeten druppels water op een kleine postweegschaal. Je voegt een voor een pinnen of druppels water toe aan de aluminium schaal die je eerder hebt gemaakt. Voor de berekening is het belangrijk om precies te weten hoeveel gewicht er nodig is om de naald uit het water te tillen.
   • Tel een aantal spelden of druppels water en weeg ze.
   • Bepaal het individuele gewicht van elke druppel of pen door het totale gewicht te delen door het aantal pinnen of waterdruppels.
   • Laten we zeggen dat bijvoorbeeld 30 pins 15 gram wegen: 15/30 = 0,5. Elke pin weegt 0,5 gram.
8. 8 Voeg de pinnen of druppels water één voor één toe aan uw aluminium foliecontainer tot de naald van het wateroppervlak is bevrijd. Voeg langzaam een ​​pin / druppel water per keer toe aan de aluminium schaal. Kijk goed naar de naald om te zien of deze bij elke nieuwe toevoeging uit het water komt. Stop met het toevoegen van pinnen / druppels als de naald niet langer in contact staat met het oppervlak van het water.
   • Tel het aantal pinnen of druppels water dat nodig is om het contragewicht van het wateroppervlak te verwijderen.
   • Noteer elke meting.
   • Herhaal de oefening verschillende keren (5 of 6) voor nauwkeurigere metingen.
   • Bereken een gemiddelde van de resultaten door het totale aantal benodigde pinnen in elke test toe te voegen en te delen door het totale aantal pogingen.
9. 9 Zet de maat van pinnen om in kracht door het aantal grammen te vermenigvuldigen met 0,00981 N / g. Om de oppervlaktespanning te berekenen, moet u weten hoeveel kracht er nodig is om de naald van het oppervlak van de vloeistof te verwijderen.Omdat u de pinnen in de vorige stap hebt gewogen, kunt u deze berekening eenvoudig uitvoeren met de conversiefactor 0,00981 N / g.^[4]
   • Vermenigvuldig het aantal pinnen dat aan de schaal is toegevoegd door het gewicht van elke pen. Bijvoorbeeld, 5 pinnen bij 0,5 g / pin = 5 x 0,5 = 2,5 g.
   • Vermenigvuldig de hoeveelheid gram met de conversiefactor 0,00981 N / g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.
10. 10 Steek de variabelen in de vergelijking en los het op. Met behulp van de metingen die u tijdens het hele experiment hebt verzameld, kunt u nu het geweld oplossen. Steek eenvoudig de nummers in de juiste variabele en los op met de juiste volgorde van bewerkingen.
    • We gaan door met ons voorbeeld, laten we zeggen dat de naald 0,025 m lang was. Het aansluiten van de variabelen in de vergelijking levert op: S = F / 2d = 0,025 N / (2 x 0,025) = 0,05 N / m. De oppervlaktespanning van de vloeistof is 0,05 N / m.

Methode twee van drie:
Oppervlaktespanning meten met capillaire actie

1. 1 Begrijp capillaire actie. Om de capillaire werking te begrijpen, moet je eerst hechting en samenhangende krachten begrijpen. Hechting is de kracht die ervoor zorgt dat een vloeistof aan een vast oppervlak kleeft, zoals de rand van een glas. Samenhangende krachten zijn krachten die vloeibare moleculen naar elkaar toe trekken.^[5] De combinatie van adhesie en cohesieve krachten zorgt ervoor dat een vloeistof omhooggaat in het midden van een dunne buis.
   • De hoogte van de vloeistof kan worden gebruikt om de oppervlaktespanning van die vloeistof te berekenen.
   • Cohesie zorgt ervoor dat water bellen of druppels op een oppervlak vormt. Wanneer een vloeistof in contact komt met lucht, voelen de moleculen aantrekkelijke krachten naar elkaar toe en maken een bel op het oppervlak.
   • Adhesie veroorzaakt de meniscus die wordt gezien in vloeistoffen wanneer deze zich aan de zijkanten van een glas hechten. Het is de holle vorm aan de bovenkant van de vloeistof op ooghoogte.^[6]
   • Een voorbeeld van capillaire actie is het kijken naar water dat oprijst in een rietje in een kopje water.
2. 2 Definieer de vergelijking om op te lossen voor oppervlaktespanning. Oppervlaktespanning wordt gegeven door de vergelijking S = (ρhga / 2) waar S is de oppervlaktespanning, ρ (of rho) is de dichtheid van de vloeistof die je meet, h is de hoogte waarin de vloeistof in de buis stijgt, g is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht die op de vloeistof inwerkt (9,8 m / s²) en een is de straal van de capillaire buis.^[7]
   • Wanneer u deze vergelijking doorneemt, moet u ervoor zorgen dat al uw eenheden de juiste metrische vorm hebben: dichtheid in kg / m³, hoogte en straal in meter en zwaartekracht in m / s².
   • Als de dichtheid van de vloeistof niet wordt gegeven, kunt u deze in een naslagwerk opzoeken of berekenen met de vergelijkingsdichtheid = massa / volume.
   • De eenheid voor oppervlaktespanning is één newton per meter (N / m). Een Newton is gelijk aan 1 kg-m / s².^[8] Om de eenheden zelf uit te werken, lost u eenvoudig de vergelijking op met slechts eenheden. S = kg / m³ * m * m / s² * m. Twee van de metereenheden elimineren twee van de eenheden per meter en u blijft zitten met 1 kg-m / s²/ m of 1 N / m.
3. 3 Vul een container met de vloeistof met onbekende oppervlaktespanning. Gebruik een ondiepe schaal of schaal om het te vullen met ongeveer een centimeter van de vloeistof in kwestie. De toegevoegde hoeveelheid vloeistof doet er niet toe zolang u de vloeistofstijging in het capillair duidelijk kunt zien.
   • Als u dit met verschillende vloeistoffen herhaalt, moet u ervoor zorgen dat de schaal grondig is gereinigd en gedroogd voordat u de volgende vloeistof toevoegt. U kunt ook voor elke vloeistof afzonderlijke gerechten gebruiken.
4. 4 Plaats een heldere, dunne buis in de vloeistof. Dit is de buis waar je je metingen naartoe kunt nemen om de oppervlaktespanning te berekenen. De buis moet schoon zijn zodat u kunt zien hoe ver de vloeistof boven het niveau in de schaal uitkomt. De buis moet ook overal dezelfde straal hebben.
   • Om de straal te meten, plaatst u eenvoudig een liniaal over de bovenkant van de buis en bepaalt u de diameter. Verdeel de diameter door 2 en je hebt de straal.
   • U kunt deze buizen online of bij een ijzerhandel kopen.
5. 5 Meet de hoogte van de vloeistof die boven de vloeistof in de container uitkomt. Plaats de onderkant van een liniaal direct boven de vloeistof in de schaal en meet hoe hoog de vloeistof in de buis is gestegen. Het water stijgt doordat de opwaartse kracht van de oppervlaktespanning groter is dan de neerwaartse zwaartekracht.^[9]
6. 6 Steek de gemeten waarden in de vergelijking en los het op. Nadat u alle benodigde variabelen hebt bepaald, kunt u ze in de formule aansluiten en de oppervlaktespanning oplossen. Vergeet niet al uw waarden te converteren naar statistiek, zodat het probleem goed kan worden opgelost.
   • Laten we bijvoorbeeld zeggen dat we de oppervlaktespanning van water meten. Water heeft een dichtheid van ongeveer 1 kg / m³ (we gebruiken benaderende waarden in dit voorbeeld).^[10] De variabele g is altijd 9,8 m / s². De straal van de buis is 0,029 m en het water stijgt 0,5 m. Wat is de oppervlaktespanning van het water?
   • Het aansluiten van de variabelen in de vergelijking levert op: S = (ρhga / 2) = (1 x 9,8 x 0,029 x 0,5) / 2 = 0,1421 / 2 = 0,071 J / m².

Methode drie van drie:
Relatieve oppervlaktespanning meten met een cent

1. 1 Verzamel je materialen. Voor dit experiment hebt u een oogdruppelaar, een droog stuiver, water, een kleine kom, afwasmiddel, olie en een handdoek nodig. De meeste van deze items zijn te vinden rond het huis of gekocht bij de supermarkt. U hoeft geen afwasmiddel en olie te gebruiken, maar u zult willen dat verschillende vloeistoffen hun oppervlaktespanningen met elkaar vergelijken.
   • Zorg ervoor dat de cent volledig schoon en droog is voordat u begint aan het experiment. Als er andere vloeistoffen op de stuiver staan, is het experiment niet juist.
   • Met dit experiment kunt u de oppervlaktespanning niet berekenen, maar alleen de oppervlaktespanningen van verschillende vloeistoffen ten opzichte van elkaar bepalen.
2. 2 Druppel een druppel vloeistof per keer op de stuiver. Plaats de stuiver bovenop een handdoek of een oppervlak dat u niet erg vindt nat worden. Vul de pipet met de eerste vloeistof.Drenk de vloeistof langzaam op de stuiver en zorg ervoor dat er maar één druppel tegelijk valt. Tel het aantal druppels dat nodig is om de stuiver te vullen totdat de vloeistof overloopt.
   • Schrijf op hoeveel druppels er nodig zijn om de vloeistof over de zijkant van de stuiver te laten stromen.
3. 3 Herhaal het experiment met een andere vloeistof. Maak en penny schoon tussen elke test van vloeistof. Droog het oppervlak waarop u de cent heeft geplaatst voordat u het experiment herhaalde. Gebruik meerdere pipetten of maak het tussendoor schoon.
   • Probeer een klein beetje afwasmiddel in het water te mengen en laat het opnieuw vallen om te zien of de oppervlaktespanning verandert.
4. 4 Vergelijk het aantal druppels dat nodig is om de stuiver voor elke vloeistof te vullen. Probeer het experiment meerdere keren te herhalen met dezelfde vloeistof om te zien of u een juiste telling krijgt. Beoordeel de proeven samen door ze bij elkaar op te tellen en te delen door het aantal uitgevoerde onderzoeken. Noteer welke stoffen de meeste druppels nodig hebben en welke de minste nodig hebben om de stuiver te vullen.
   • Stoffen met een hogere oppervlaktespanning zullen meer druppels op de stuiver hebben dan stoffen met een lagere oppervlaktespanning.
   • De afwaszeep verlaagt de oppervlaktespanning van het water, met minder druppels om de stuiver te vullen.