Proč mají hvězdy kulovitý tvar? Proč mají větší planety rovněž kulovitý tvar? Proč se šíří veškeré vlny v kuloplochách? Proč mají kapky vody kulový tvar? Proč mají i atomy kulovitý tvar? Pokusím se odpovědět originálním způsobem.
Abychom pochopili, proč jsou hvězdy kulovitého tvaru, tak to nebudeme zkoumat ve vzdáleném vesmíru, ale na naší planetě. K pochopení nám bohatě postačí voda. Ze zkušeností víme, že každá kapka vody má při volném pádu tvar koule. V moudrých knihách se dočteme, že kulovitý tvar vytváří povrchové napětí.
Povrchové napětí
Voda tvořící kapky Wikipedie.
Povrchové napětí je efekt, při kterém se povrch kapalin chová jako elastická blána (tloušťky 10-9 až 10-8 m) a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimální plochou. To znamená, že se povrch tekutiny snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií. Čím větší je povrchové napětí, tím „kulatější“ je kapička této kapaliny. Wikipedie
Povrch kapaliny se tedy chová tak, jako by byl tvořen velmi tenkou pružnou vrstvou, která se snaží stáhnout povrch kapaliny tak, aby měl při daném objemu kapaliny co nejmenší obsah. Pokud by na kapalinu nepůsobily vnější síly, měla by kulový tvar, protože koule má ze všech těles stejného objemu nejmenší povrch. Při působení vnějších sil je situace poněkud složitější. Vždy se však volný povrch kapaliny snaží snížit velikost celkového povrchu na co možná nejmenší možnou míru. Jsou-li vnější síly velmi malé proti silám povrchového napětí, bude se kapalina snažit zaujmout přibližně kulový tvar. To se děje např. u drobných kapiček tvořících mlhu, u kapek rtuti apod. Wikipedie
Povrchové napětí bývá někdy také označováno jako kapilární konstanta.
Tak to byl popis povrchového napětí na Wikipedii, kde se vysvětluje jak se povrch kapalin chová, ale nevysvětluje, proč se tak chová. Může se povrch nějak chovat? Může se povrch nějak snažit, když není živý? Ve fyzice nacházíme tyto výrazy, když autoři nemají o tomto jevu ani páry, tak jim přiřazují živé, nebo i lidské vlastnosti. Jak je tomu ale ve skutečnosti, když opravdu můžeme pozorovat, že kapka vody se zakulatí jako živá?
Obecná termodynamická definice povrchového napětí zní:
Povrchová energie, neboli povrchové napětí ? („sigma“) je derivace volné entalpie H podle plochy A v systému s konstantní entropií S při konstantním tlaku p nebo také derivaci volné Gibbsovy volné energie G podle plochy A při konstantní teplotě T a konstantním tlaku p (a samozřejmě lze užít k vyjádření i ostatní termodynamické potenciály, viz níže) Wikipedie
Tak to byla definice povrchového napětí, kterou najdeme v běžných učebnicích fyziky a to jsem záměrně vynechal rovnice pro výpočty tohoto jevu
Povrchové napětí je výsledkem vzájemné interakce přitažlivých sil molekul nebo atomů, z nichž se skládá povrchová vrstva. Pozorujeme-li povrchovou vrstvu resp. rozhraní jako nějaký řez, pak lze povrchové napětí chápat také jako energii nenasycených vazeb na jednotku plochy (koheze). Povrchové napětí ale nemá pro makroskopické systémy funkci povrchové geometrie. Wikipedie
Schéma přitažlivých sil působící na částici (molekulu nebo atom) v povrchové vrstvě. Odpudivé síly nejsou znázorněny! Wikipedie
Příčinou jsou přitažlivé síly. Napravo je schematicky znázorněno, že přitažlivé síly působí na povrchovou částici asymetricky. Podobné obrázky se používají jako ilustrace k vysvětlení povrchového napětí. Neměly by ale být špatně interpretovány. Wikipedie
Popis schématu[editovat | editovat zdroj]
- Povrchové napětí vzniká vzájemným působením přitažlivých sil mezi částicemi tekutého tělesa; Tyto jsou silnější než síly mezi dvěma částicemi plynu nebo částicí kapaliny a plynu.
- Důvodem k vzniku povrchového napětí je zlom v symetrii na povrchu ve srovnání s vnitřkem kapaliny a vnitřkem plynu. Wikipedie
Chybné interpretace[editovat | editovat zdroj]
Povrchové napětí působí přímo v povrchu, ne kolmo k němu! Vzniká sice silami, které jsou schematicky znázorněny na obrázku č. 2, jejich směr však nelze jednoduše vyjádřit jako součet znázorněných sil.
Schéma znázorňuje jen přitažlivé síly. Mezi dvěma částicemi působí ale i odpudivé síly, které se projeví až při větším přiblížení těchto částic. V rovnovážném stavu neexistují žádné výsledné síly, které působí směrem do vnitřku kapaliny! Kdyby se taková síla vyskytla, částice by byla urychlována do vnitřku kapaliny, než by se projevily odpudivé síly. Z toho vyplývá, že střední vzdálenost povrchových molekul je větší a tím vzniká i odlišná hustota ve srovnání s vnitřkem kapaliny: Z důvodu neustálého pohybu částic v kapalině je střední vzájemný rovnovážný odstup na povrchu větší a hustota je menší. Zmenšení povrchu vede spíše k zisku energie a ten je důvodem pro vznik povrchového napětí. Wikipedie
Tak nyní to musí být každému jasné. Že jste z toho jelen? Ani se nedivím, protože tolik nesmyslů na pár řádcích, tak to se hned tak nevidí.
Může existovat mezi atomy a molekulami přitažlivost? Samozřejmě že nemůže, kde by se ta síla v hmotě látkové vzala? Jak víme, každá síla potřebuje zdroj energie a ten ve vodě není.
Když neexistuje ve vodě energie, jak může existovat povrchové napětí? Samozřejmě že nemůže. Tak co tu vodu nutí vytvářet koule? Kdo čte pravidelně moje blogy, tak odpovědˇ již zná.
Ano, je to gravitační tlak gravitonového éteru. Přitlačivost (nikoliv přitažlivost) stlačuje jednotlivé atomy a molekuly do nejmenšího prostoru a tím je koule. Tento gravitační tlak formuje veškerou hmotou do tvaru koule a je jedno, jestli se jedná o plyn, vodu, nebo pevnou hmotu.
Proč ale máme pocit, že na povrchu kapaliny existuje jakási blána, která brání v proniknutí dovnitř? Odpovědˇ je jednoduchá.
Gravitační tlak gravitonového éteru stlačuje atomy a molekuly do tvaru koule, ale existují odpudivé síly, které se brání tomuto tlaku, takže nastává stav rovnováhy. Uvnitř kapaliny působí odpudivé síly rovnoměrně na okolní atomy a molekuly, a tím vytváří pravidelný rozestup.
Jak to vypadá na povrch kapaliny? Je jasné, že na povrchu nastane okamžik, kdy již neexistuje další vrstva molekul kapaliny, takže odpudivé sily působí pouze na plyn, ale také na lehké předměty a tím brání snadnému proniknutí do kapaliny.
Bruslařka, která nevyužívá povrchového napětí vody, nýbrž odpudivých sil na hladině. Wikipedie
