Чтобы понять причины этого, возьмём сосуд с водой и на её поверхность осторожно уложим стальную иглу или проволочную спираль, смазанные жиром. Оказывается, что игла и спираль не потонут. Они будут плавать на поверхности. Внимательно всмотревшись, мы обнаружим, что поверхность воды под иглой или спиралью изогнулась словно резина под тяжёлым грузом. Следовательно, в поверхностном слое жидкости действуют какие-то силы, поддерживающие свободную поверхность в напряженном состоянии, подобно растянутой тонкой плёнке из резины. Что это именно так, можно убедиться, проделав следующий опыт. Возьмём проволочное кольцо, затянутое мыльной плёнкой, и положим на неё петлю из нити. Петля останется лежать в том случайном положении, в каком оказалась в момент укладывания (рис. 21, слева). Разрушим внутри нитяной петли плёнку, прикоснувшись к ней разогретой иглой. Петля немедленно растягивается в круг (рис. 21, справа).
Рис. 21. Пример действия сил поверхностного натяжения.
Произошло это под действием натяжения плёнки, сохранившейся вокруг петли. Нечто подобное происходит и с кисточкой для рисования, когда её вынимают из воды: все её волоски как бы слипаются вместе.
Учёные установили, что силы, удерживающие стальную иглу и спираль на поверхности жидкости, растягивающие петлю в кольцо и стягивающие волоски кисточки, всегда направлены перпендикулярно к контуру, на который они действуют. Называют эти силы силами поверхностного натяжения.
Почему же возникает поверхностное натяжение?
Рассмотрим внимательно рисунок 22, на котором условно изображены отдельно две молекулы жидкости: одна внутри жидкости, а другая — у её поверхности.
Рис. 22. Схема действия межмолекулярных сил на молекулу внутри жидкости и у поверхности.
На каждую из них действуют по-разному силы притяжения соседних молекул. Молекулу, находящуюся под поверхностью жидкости, окружают со всех сторон другие молекулы. Межмолекулярные силы притягивают эту молекулу со всех сторон одинаково, в результате чего она находится в равновесии. По-иному действуют межмолекулярные силы на молекулу, находящуюся на поверхности жидкости. Верхняя половина этой молекулы испытывает ничтожное притяжение со стороны молекул газов воздуха; практически оно отсутствует совсем. Такая молекула оказывается лишь под действием нижележащих молекул жидкости, стремящихся втянуть её внутрь, а также соседних молекул, лежащих в одном с нею слое и увлекающих её в разные стороны в горизонтальной плоскости. Поверхность жидкости в сосуде вследствие этого подобна коже, натянутой на корпус барабана, — непосредственно на поверхности жидкости образуется упругая плёнка.
Подсчитано, что поверхностное натяжение в этой плёнке толщиной несколько больше одной молекулы давит на нижележащий слой жидкости с огромной силой. Под влиянием поверхностного натяжения плёнки внутреннее молекулярное давление достигает, например, для воды 10 000 атмосфер, для эфира 1400 атмосфер, для спирта 2400 атмосфер.
От поверхностного натяжения, оказывается, зависит и «поведение» жидкости в различных сосудах. Поверхностное натяжение ртути и керосина, например, резко различается между собою. Это можно заметить, рассматривая положение (форму) свободной поверхности их в сосудах (рис. 23).
Рис. 23. Явление капиллярности.
Поверхность ртути слегка выпуклая, её края у стенок сосуда опущены ниже всей поверхности. Поверхность керосина, наоборот, вогнутая, её края у стенки сосуда приподняты выше всей поверхности.
Положение поверхности жидкости по отношению к стенкам сосуда называется мениском (от греческого слова — менискос, что означает лунный серп, луночка).
В широких сосудах мениск наблюдается только у самых стенок, вся остальная часть поверхности — плоская. Нередко мениск бывает трудно заметить. В трубках же с очень малым диаметром, так называемых капиллярах, мениск захватывает всю поверхность жидкости, его легко заметить.
В капилляре, опущенном в сосуд с керосином, например, мениск окажется вогнутым, а в сосуд с ртутью, наоборот, выпуклым. Кроме того, уровень керосина или любой другой жидкости с вогнутым мениском в капилляре окажется значительно выше её уровня в сосуде, а уровень ртути или какой-либо другой жидкости с выпуклым мениском, наоборот, ниже, чем в сосуде (рис. 23). В стеклянной трубке диаметром 1 мм при 20 °C и 760 мм ртутного столба вода, например, поднимется на 30, спирт на 12, а эфир на 10 мм выше общего уровня в сосуде, куда опущен капилляр.