La tension superficielle se réfère à la capacité d'un liquide à résister à la force de gravité. Par exemple, l'eau forme des gouttelettes sur une table parce que les molécules d'eau à la surface se regroupent contre la force de gravité.[1] La tension de surface permet à un objet plus dense, tel qu'un insecte, de flotter à la surface de l'eau. La tension superficielle est mesurée par la quantité de force (N) exercée sur une unité telle que la longueur (m) ou la quantité d'énergie d'une zone mesurée. Ceux-ci sont mesurés en Newton par mètre (ou N / mètre).[2] Les forces que les molécules d'eau exercent les unes sur les autres, ou forces cohésives, provoquent la tension et sont responsables de la forme des gouttes d'eau (ou d'autres liquides). Vous pouvez mesurer la tension de surface avec quelques articles ménagers et une calculatrice.

Méthode One of Three:
Mesure de la tension superficielle avec une poutre d'équilibre

  1. 1 Définir l'équation à résoudre pour la tension de surface. Dans cette expérience, l'équation de la tension de surface sera déterminée par l'équation F = 2sd. F est la force en newtons (N), s est la tension superficielle en (N / m), et ré est la longueur de l'aiguille utilisée dans l'expérience. Réarrangement de l'équation pour résoudre les rendements de tension superficielle s = F / 2d.
    • La force sera calculée à la fin de l'expérience.
    • Mesurer la longueur de l'aiguille en mètres à l'aide d'une règle avant de commencer l'expérience.
  2. 2 Construire une petite poutre d'équilibre.[3] Dans cette expérience, vous utiliserez une poutre d'équilibre et une petite aiguille flottant à la surface de l'eau pour mesurer la tension de surface. La poutre doit être bien construite pour que vous puissiez obtenir un résultat précis. Vous pouvez utiliser différents types de matériaux pour cela, assurez-vous simplement que la poutre centrale est solide, comme du bois, du plastique ou du carton dense.
    • Marquez le centre du matériau à utiliser pour votre poutre (paille, règle en plastique) et percez ou percez un trou à travers celui-ci; ce sera le point d'appui (le point qui permet au faisceau de tourner librement). Si vous utilisez une paille en plastique, vous pouvez simplement passer une épingle ou un clou dessus.
    • Percez ou percez un trou à chaque extrémité de la poutre en vous assurant qu'ils sont à la même distance du centre. Enfiler une ficelle dans chaque trou pour servir de support aux plats de la balance. Assurez-vous qu'il y a 1 corde pour chaque trou à chaque extrémité.
    • Reposez le clou horizontalement entre deux piles de livres afin que le faisceau central puisse tourner librement.
  3. 3 Pliez un morceau de papier d'aluminium pour former une boîte ou un plat. Le plat ne doit pas nécessairement être carré ou rond. Le plat sera rempli d'eau ou d'un autre poids, alors assurez-vous qu'il est suffisamment solide pour supporter cela.
    • Accrochez la boîte ou le plat d'une extrémité de la poutre. Percer de petits trous sur les côtés du plat et enfiler la ficelle pour soutenir le plat.
  4. 4 Accrochez une aiguille ou un trombone horizontalement à l'autre extrémité de la poutre avec du fil. Sur le côté opposé de la poutre, attachez un trombone ou une aiguille à l'extrémité de la ficelle afin qu'elle soit à plat. Pour que l'expérience fonctionne, il est important que le trombone ou l'aiguille soit horizontale.
  5. 5 Placez un morceau de matériau tel que de l'argile ou du play-doh sur la poutre pour contrebalancer le récipient en aluminium. Avant de commencer l'expérience, vous voulez vous assurer que le faisceau est à plat. Le plat sera plus lourd que l'aiguille, ce qui fera baisser le faisceau dans la direction du plat. Ajoutez suffisamment d'argile au côté opposé du faisceau pour que le faisceau soit de niveau.
    • Cela s'appelle le contrepoids. L'argile n'affecte pas les calculs car elle équilibre le faisceau.
  6. 6 Placez l'aiguille ou le trombone suspendu à la poutre dans un récipient d'eau. Cette étape peut nécessiter des efforts supplémentaires pour que l'aiguille repose juste au-dessus de la surface de l'eau. Vous ne voulez pas que l'aiguille soit immergée dans l'eau. Remplissez un récipient d'eau (ou d'un autre liquide dont la tension de surface est inconnue) et placez-le sous l'aiguille à une hauteur permettant à l'aiguille de reposer directement sur la surface.
    • Assurez-vous que la ficelle qui maintient l'aiguille en place reste tendue une fois que l'aiguille est au-dessus de l'eau.
  7. 7 Peser un lot d'épingles ou plusieurs gouttes d'eau mesurées sur une petite balance postale. Vous ajouterez des épingles ou des gouttes d'eau une par une au plat en aluminium que vous avez construit plus tôt. Pour le calcul, il est important de savoir exactement combien de poids il faut pour soulever l'aiguille de l'eau.
    • Comptez un certain nombre d'épingles ou de gouttes d'eau et pesez-les.
    • Déterminez le poids individuel de chaque goutte ou broche en divisant le poids total par le nombre d'épingles ou de gouttes d'eau.
    • Par exemple, disons que 30 broches pèsent 15 grammes: 15/30 = 0,5. Chaque épingle pèse 0,5 gramme.
  8. 8 Ajoutez les épingles ou les gouttes d'eau une à la fois dans votre récipient en aluminium jusqu'à ce que l'aiguille soit libérée de la surface de l'eau. Ajouter lentement une épingle ou une goutte d'eau à la coupelle en aluminium, une épingle / goutte à la fois. Regardez l'aiguille de près pour voir si elle sort de l'eau avec chaque nouvel ajout. Arrêtez d'ajouter des épingles / gouttes une fois que l'aiguille n'est plus en contact avec la surface de l'eau.
    • Comptez le nombre d'épingles ou de gouttes d'eau nécessaires pour retirer le contrepoids de la surface de l'eau.
    • Enregistrez chaque lecture.
    • Répétez l'exercice plusieurs fois (5 ou 6) pour des lectures plus précises.
    • Calculez une moyenne des résultats en ajoutant le nombre total de broches nécessaires dans chaque essai et en le divisant par le nombre total d'essais.
  9. 9 Convertir la mesure des broches en vigueur en multipliant le nombre de grammes par 0,00981 N / g. Pour calculer la tension superficielle, vous devez connaître la force totale requise pour retirer l'aiguille de la surface du liquide.Comme vous avez pesé les broches lors de l'étape précédente, vous pouvez facilement effectuer ce calcul en utilisant le facteur de conversion 0,00981 N / g.[4]
    • Multipliez le nombre de goupilles ajoutées au plat par le poids de chaque goupille. Par exemple, 5 broches à 0,5 g / broche = 5 x 0,5 = 2,5 g.
    • Multipliez la quantité de grammes par le facteur de conversion 0,00981 N / g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.
  10. 10 Branchez les variables dans l'équation et résolvez. En utilisant les mesures que vous avez recueillies tout au long de l'expérience, vous pouvez maintenant rechercher la force. Il suffit de brancher les numéros dans la variable correcte et de résoudre en utilisant l'ordre approprié des opérations.
    • En continuant notre exemple, disons que l’aiguille avait 0,025 m de long. Le branchement des variables dans l'équation donne: S = F / 2d = 0,025 N / (2 x 0,025) = 0,05 N / m. La tension superficielle du liquide est de 0,05 N / m.

Méthode deux sur trois:
Mesure de la tension superficielle avec action capillaire

  1. 1 Comprendre l'action capillaire. Pour comprendre l'action capillaire, vous devez d'abord comprendre les forces d'adhésion et de cohésion. L'adhérence est la force qui fait adhérer un liquide à une surface solide, telle que le bord d'un verre. Les forces cohésives sont celles qui tirent les molécules liquides l'une vers l'autre.[5] La combinaison des forces d'adhérence et de cohésion fait qu'un liquide monte au centre d'un tube mince.
    • La hauteur du liquide peut être utilisée pour calculer la tension superficielle de ce liquide.
    • La cohésion provoque la formation de bulles ou de gouttelettes sur une surface. Lorsqu'un liquide est en contact avec l'air, les molécules ressentent des forces attractives les unes envers les autres et créent une bulle à la surface.
    • L'adhérence provoque le ménisque visible dans les liquides lorsqu'ils s'accrochent aux parois du verre. C'est la forme concave au sommet du liquide vue au niveau des yeux.[6]
    • Un exemple d’action capillaire consiste à regarder l’eau monter dans une paille placée dans une tasse d’eau.
  2. 2 Définir l'équation à résoudre pour la tension de surface. La tension de surface est donnée par l'équation S = (ρhga / 2) où S est la tension superficielle, ρ (ou rho) est la densité du liquide que vous mesurez, h est la hauteur que le liquide monte dans le tube, g est l'accélération due à la gravité agissant sur le liquide (9,8 m / s2) et une est le rayon du tube capillaire.[7]
    • Lorsque vous utilisez cette équation, assurez-vous que toutes vos unités sont sous la forme métrique appropriée: densité en kg / m3, hauteur et rayon en mètres, et gravité en m / s2.
    • Si la densité du liquide n'est pas indiquée, vous pouvez la rechercher dans un livre de référence ou la calculer en utilisant la densité d'équation = masse / volume.
    • L'unité de tension superficielle est un newton par mètre (N / m). Un Newton est égal à 1 kg-m / s2.[8] Pour calculer les unités vous-même, résolvez simplement l’équation avec des unités seulement. S = kg / m3 * m * m / s2 * m. Deux des unités de mesure annulent deux des unités par mètre et il vous reste 1 kg-m / s2/ m ou 1 N / m.
  3. 3 Remplissez un récipient avec le liquide de tension de surface inconnue. À l'aide d'un plat peu profond ou d'un bol, remplissez-le avec environ un pouce de liquide en question. La quantité de liquide ajoutée n'a pas d'importance tant que vous pouvez voir clairement l'augmentation du liquide dans le tube capillaire.
    • Si vous répétez cela avec différents liquides, assurez-vous que le plat est bien nettoyé et séché avant d'ajouter le liquide suivant. Sinon, utilisez simplement des plats séparés pour chaque liquide.
  4. 4 Placez un tube clair et mince dans le liquide. C'est le tube à partir duquel vous prendrez vos mesures pour calculer la tension de surface. Le tube doit être clair afin que vous puissiez voir à quelle distance le liquide monte au-dessus du niveau dans le plat. Le tube doit également avoir le même rayon partout.
    • Pour mesurer le rayon, placez simplement une règle sur le dessus du tube et déterminez le diamètre. Divisez le diamètre par 2 et vous avez le rayon.
    • Vous pouvez acheter ces tubes en ligne ou dans une quincaillerie.
  5. 5 Mesurer la hauteur que le liquide monte au-dessus du liquide dans le récipient. Placez le fond d'une règle directement au-dessus du liquide dans le plat et mesurez la hauteur à laquelle le liquide s'est élevé dans le tube. L'eau monte en raison de la force ascendante de la tension superficielle supérieure à la force de gravité descendante.[9]
  6. 6 Branchez les valeurs mesurées dans l'équation et résolvez. Une fois que vous avez déterminé toutes les variables nécessaires, vous pouvez les brancher dans la formule et rechercher la tension de surface. N'oubliez pas de convertir toutes vos valeurs en métriques afin que le problème puisse être résolu correctement.
    • Par exemple, supposons que nous mesurons la tension superficielle de l'eau. L'eau a une densité d'environ 1 kg / m3 (nous utiliserons des valeurs approximatives dans cet exemple).[10] La variable g est toujours 9,8 m / s2. Le rayon du tube est de 0,029 m et l'eau monte de 0,5 m. Quelle est la tension superficielle de l'eau?
    • Le branchement des variables dans l'équation donne: S = (ρhga / 2) = (1 x 9,8 x 0,029 x 0,5) / 2 = 0,1421 / 2 = 0,071 J / m2.

Méthode trois sur trois:
Mesurer la tension superficielle relative avec un penny

  1. 1 Rassemblez vos matériaux. Pour cette expérience, vous aurez besoin d'un compte-gouttes, d'un sou sec, d'eau, d'un petit bol, de savon à vaisselle, d'huile et d'une serviette. La plupart de ces articles peuvent être trouvés autour de la maison ou achetés à l'épicerie. Vous n'avez pas besoin d'utiliser du savon à vaisselle et de l'huile, mais vous voudrez que différents liquides comparent leurs tensions superficielles.
    • Assurez-vous que le penny est complètement propre et sec avant de commencer l'expérience. S'il y a d'autres liquides sur le penny, l'expérience ne sera pas exacte.
    • Cette expérience ne vous permet pas de calculer la tension superficielle, mais seulement de déterminer les tensions de surface de différents liquides les uns par rapport aux autres.
  2. 2 Goutte une goutte de liquide à la fois sur le sou. Placez le sou sur une serviette ou sur une surface qui ne vous dérange pas de vous mouiller. Remplissez la pipette avec le premier liquide.Lentement, goutte à goutte le liquide sur le sou, en prenant soin de ne laisser tomber qu’une goutte à la fois. Comptez le nombre de gouttes qu'il faut pour remplir le sou jusqu'à ce que le liquide coule.
    • Notez le nombre de gouttes nécessaires pour que le liquide coule sur le côté du penny.
  3. 3 Répétez l'expérience avec un liquide différent. Nettoyez et séchez le centime entre chaque test de liquide. Séchez la surface sur laquelle vous avez placé le penny avant de répéter l'expérience. Utilisez plusieurs pipettes ou nettoyez-les entre les utilisations.
    • Essayez de mélanger un peu de savon à vaisselle à l'eau et de laisser tomber à nouveau pour voir si la tension de surface change.
  4. 4 Comparez le nombre de gouttes nécessaires pour remplir le penny pour chaque liquide. Essayez de répéter l'expérience avec le même liquide plusieurs fois pour voir si vous obtenez un compte précis. Faites la moyenne des essais ensemble en les additionnant et en divisant par le nombre d'essais effectués. Notez les substances qui nécessitent le plus de gouttes et celles qui nécessitent le moins pour remplir le sou.
    • Les substances ayant une tension superficielle plus élevée auront plus de gouttes sur le centime que les substances ayant une tension superficielle inférieure.
    • Le savon à vaisselle réduit la tension superficielle de l'eau, en utilisant moins de gouttes pour remplir le penny.