July 6th, 2015

surface tension

Michael Nosonovsky and Rahul Ramachandran. "Geometric Interpretation of Surface Tension Equilibrium in Superhydrophobic Systems" Entropy 2015, 17(7), 4684-4700; doi:10.3390/e17074684
http://www.mdpi.com/1099-4300/17/7/4684

Вот эти давние рассуждения про поверхностное натяжение (http://duchifat.livejournal.com/973901.html) записал в формате научной статьи (с привлечением аспиранта для рисования картинок). Поскольку это не экспериментальная и не hypothesis driven работа, то в open access журнале Entropy ей самое место (за бесплатно разумеется -- ни копейки денег висконсинских налогоплательщиков, ни моих личных на эту публикацию не потрачено).

В этой статье мы говорим про то, что сила поверхностного натяжения - это не сила в механическом смысле слова, а обобщенная сила (производная гиббсовой энергии по "обобщенной координате" - положению линии тройного контакта). Разница в том, что механическая сила приложена к материальной точке или телу, а обобщенная сила, будучи вектором, точки приложения не имеет (вопреки распространенному представлению, будто силы натяжения приложены к тройной линии). Мы также предлагаем геометрическую интерпретецию поверхностных сил, являющуюся (очевидным) обобщением треугольника Ньюмана на многомерный случай (правила Антонова при этом выступает в качестве неравенства треугольника). При этом интересно, что выражение для поверхноcтного натяжения под действием дисперсных сил (уравнение Girifalco–Good) имеет форму, совпадающую с теоремой косинусов (правда, для корня из поверхноcтной энергии, а не самой энергии, но, как известно, энергия электрического поля пропорциональна квадрату его интенсивности). Угол в треугольникe является мерой отклонения от дисперсных взаимодействий.

Попутно я также говорю про историю поверхностного натяжeния: хотя первым его ввел в науку Томас Юнг в 1805 г., уже Галилей в "Беседах о двух новых науках" (1638) говорит о загадочной поверхностной силе, образующей капли на листьях лотуса капусты, а также Niccolò Cabeo (1586–1650) in his Philosophia Magnetica in 1629 and more explicitly by Johann Andreas Segner (1704–1777) in 1751, while the related phenomenon of the capillary rise had already been demonstrated by Leonardo da Vinci (1452–1519) and studied by Boyle, Leidenfrost and several other scholars. И про историю открытия гистерезиса контактного угла, в частности, про Агнесс Покельс, которая не имела образования, а мыла посуду на кухне и обнаружила гистерезис контактного угла, о чем написала лорду Рэлею, он опубликовал это в Nature, и со временем она стала известным физxимиком.

Раньше я несколько боялся писать такие простые вещи про силы поверхностного натяжения, потому что думал, что все это тривиально, и любой студент физхимик-первокурсник про поверхностную энергию все понимает. (Я-то никакую химию никогда после школы не изучал). Но со временем стал замечать, что ничего подобного! :) Поверхностное натяжение на самом деле довольно сложная тема, и даже в работах заслуженных мэтров распространены ошибки. В частности, мы там обсуждаем пример из учебника Lautrup, B. Physics of Continuous Matter.