# Взаимное притяжение и отталкивание молекул

Физика · 7 класс · Движение и взаимодействие частиц вещества
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/7/11-vzaimnoe-prityazhenie-i-ottalkivanie-molekul

Почему одни вещества слипаются сами при плотном контакте, а другие — нет; почему тела не рассыпаются в пыль и не схлопываются в точку; как это притяжение и отталкивание молекул используют сварка, пайка и склеивание.

## Чему научишься

- Объяснять, почему одни тела слипаются при плотном контакте (притяжение молекул), а другие — нет, и что для этого нужно
- Объяснять, почему молекулы твёрдых тел и жидкостей держатся на определённом расстоянии, а не слипаются в точку и не разлетаются — через баланс притяжения и отталкивания
- Приводить примеры того, как притяжение молекул используют на практике — сварка, пайка, склеивание — и объяснять, зачем в каждом случае сближают поверхности

## С чего начать

Ты берёшь свинцовый цилиндр, аккуратно разрезаешь его пополам и сразу же плотно прижимаешь половинки друг к другу голыми срезами — без клея, без сварки. К нижней половинке цепляют крючок и вешают тяжёлый груз, и она не отрывается. Что держит две половинки вместе, если между ними нет ничего, кроме самого металла?

## 1. Почему одни тела слипаются сами, а другие — нет

*Притяжение между молекулами и роль шлифовки*

Ты уже прижимал два куска пластилина друг к другу — они слипаются мгновенно и намертво. А теперь представь, что вместо пластилина — два куска стали. Прижми их ладонью так же сильно — ничего не произойдёт, они останутся двумя отдельными кусками. Но если эти же куски стали заранее тщательно отшлифовать до зеркального блеска — они начнут слипаться сами, без клея и без сварки. Разница не в металле, а в том, что происходит на уровне молекул.

**Представь**

Молекулярное притяжение — это не магнит, который тянет издалека. Это скорее контактный «липкий» слой, который включается только вплотную, на расстоянии, сравнимом с размером самой молекулы. Отодвинься хоть на волосок дальше — и притяжение практически исчезает.

*Рисунок: Свинцовые цилиндры, срезы которых плотно прижаты друг к другу: груз держится на нижней половинке без клея и сварки — только за счёт притяжения молекул на срезе*

**Что здесь работает**

«Молекулы, из которых состоит вещество, взаимно притягиваются. Притяжение между молекулами различных веществ разное — этим объясняется то, что различные вещества имеют разную прочность.» И ещё: «Взаимное притяжение между молекулами проявляется на расстояниях, сравнимых с их размерами».

**Способ запомнить**

Не слиплось — значит, молекулы не подошли на расстояние «в свой размер»; ищи, что помешало: неровность поверхности или грязь на ней.

**А как же шлифовка**

«Притяжение между двумя телами (например, металлическими брусками) возникает лишь тогда, когда их соприкасающиеся поверхности достаточно хорошо отшлифованы: у плохо отшлифованных поверхностей слишком мало молекул находится достаточно близко друг к другу.» Даже поверхность, которая на вид кажется гладкой, под микроскопом — горный рельеф из бугров и впадин. Реально соприкасаются только вершины бугров, а это ничтожная доля всей площади.

**Пример: Почему свинцовые цилиндры слипаются, а два куска мела — нет**

1. У обоих есть молекулы, значит, у обоих есть и притяжение между молекулами — само по себе это не отличие.
2. Отличие — в том, насколько близко эти молекулы могут оказаться. Срез свинцового цилиндра, сделанный острым ножом, получается почти идеально ровным — молекулы на срезе подходят к молекулам второй половинки почти вплотную.
3. Поверхность мела, даже нетронутая специально, рыхлая и неровная на микроуровне: настоящий контакт есть лишь в редких точках, остальная площадь просто не касается второго куска.
4. Раз молекул «в упор» слишком мало, суммарное притяжение получается ничтожным — мел не слипается, хотя притяжение между его молекулами никуда не делось.

**Неправильно:** Мел не липнет, потому что у него молекулы вообще не притягиваются друг к другу.
**Правильно:** У молекул мела притяжение есть точно так же, как у любого вещества — рыхлая, неровная поверхность мела просто не даёт молекулам двух кусков оказаться близко друг к другу, а без этого притяжение не включается.

**Проверь себя:** Если два бруска не слипаются при обычном прижатии руками, а после тщательной шлифовки — начинают слипаться, что изменилось на уровне молекул?
**Ответ:** Расстояние между молекулами двух брусков на большей части площади стало сравнимым с размером самой молекулы — раньше касались только редкие бугорки, теперь касается почти вся поверхность.

### Проверь себя

**Два одинаковых кусочка пластилина прижали друг к другу — они слиплись в один комок. А два тщательно отшлифованных металлических бруска просто прижали ладонью — они тоже, хоть и слабее, «залипают» друг за друга. Что общего в этих двух случаях?**
- В обоих случаях молекулы веществ подошли достаточно близко друг к другу — на расстояние, сравнимое с их размером, — и включилось взаимное притяжение между ними — верно
- В обоих случаях сработало электростатическое притяжение зарядов, которые накопились на поверхностях материалов от трения о ладонь
- В обоих случаях воздух, вытесненный между поверхностями, создал что-то вроде вакуумного присоса, который и держит их вместе
- В обоих случаях обычное трение между шероховатыми, неидеально гладкими поверхностями материалов само по себе постепенно превратилось в прочное механическое сцепление, которое и держит их вместе
> Пластилин и полированный металл слипаются по одной и той же причине: их молекулы оказались на расстоянии, сравнимом с размером молекулы, — а именно на таком расстоянии заметно взаимное притяжение.

**Мастер шлифует стальные плиты перед тем, как проверить, слипнутся ли они без клея и сварки. Зачем нужна именно тщательная шлифовка, а не просто чистая поверхность?**
- Шлифовка меняет химический состав металла в самом поверхностном слое, и получившийся слой начинает притягивать соседнюю плиту гораздо сильнее обычного металла
- Шлифовка убирает микроскопические неровности, из-за которых на глаз плоские плиты на самом деле касаются друг друга лишь в нескольких точках, а не всей поверхностью — верно
- Шлифовка охлаждает металл в процессе обработки, а холодный металл притягивается заметно сильнее тёплого
- Шлифовка снимает статический заряд с поверхности, который в противном случае отталкивал бы одну плиту от другой
> Даже визуально плоская поверхность неровная на микроуровне: без шлифовки молекулы двух тел находятся в контакте лишь в редких точках, и притяжение почти не проявляется.

**Почему кусок мела легко ломается и крошится в руках, а кусок стали такой же формы согнуть почти невозможно?**
- Потому что молекулы стали крупнее молекул мела, а более крупные молекулы обычно держатся друг за друга крепче
- Потому что в кристаллической решётке стали молекулы вообще неподвижны и жёстко зафиксированы, а в мелу они, наоборот, постоянно перемещаются и меняются местами между собой
- Потому что притяжение между молекулами разных веществ разное, и у стали оно заметно сильнее, чем у мела — отсюда и разница в прочности — верно
- Потому что сталь намного тяжелее мела, а собственный вес не даёт молекулам металла разойтись в стороны
> Прочность вещества определяется силой притяжения между его молекулами — а она у разных веществ разная.

## 2. Почему тело не схлопывается в точку и не рассыпается

*Отталкивание молекул и баланс сил*

Если бы у молекул было только притяжение, любое тело давным-давно стянулось бы в одну точку — а этого не происходит. Значит, есть вторая сила, которая не даёт молекулам подходить друг к другу слишком близко.

**Вторая сила**

«Между молекулами вещества существует и отталкивание. Отталкивание заметно проявляется на более близких расстояниях между молекулами, чем притяжение, т. е. когда расстояния между молекулами меньше размеров молекул.»

**Представь**

Молекулы твёрдого тела — как люди в плотной очереди: подойдёшь слишком близко к соседу — он мягко, но ощутимо потеснит тебя локтем (отталкивание). Отойдёшь слишком далеко — очередь начнёт подтягивать тебя обратно, чтобы не разрывался строй (притяжение). Комфортное расстояние — где-то посередине, и вокруг него все и топчутся.

*Рисунок: Две молекулы и равновесное расстояние между ними в трёх положениях: сжали, равновесие, растянули*

**Способ запомнить**

Правило самопроверки: сжал тело — почувствовал сопротивление наружу — значит, преобладает отталкивание. Растянул тело — почувствовал сопротивление внутрь, тело тянет обратно — значит, преобладает притяжение (отталкивание при этом сдаёт быстрее). Между этими двумя крайностями есть удобное, равновесное расстояние, вокруг которого молекулы твёрдого тела и жидкости и держатся.

**Притяжение и отталкивание молекул — что когда сильнее**

| Признак | Притяжение | Отталкивание |
| --- | --- | --- |
| На каком расстоянии заметнее | Расстояние сравнимо с размером молекулы или немного больше | Расстояние меньше размера молекулы — совсем близко |
| Когда преобладает | Преобладает, когда расстояние между молекулами больше равновесного | Преобладает, когда расстояние между молекулами меньше равновесного |
| Что будет, если тело растянуть | Преобладает — тянет молекулы обратно, к равновесному расстоянию | Ослабевает |
| Что будет, если тело сжать | Ослабевает | Преобладает — толкает молекулы обратно, к равновесному расстоянию |
| Роль для тела | Не даёт молекулам разлететься друг от друга | Не даёт молекулам слипнуться в одну точку |

**Итог — почему нужна сила, чтобы что-то изменить**

«Именно одновременное действие притяжения и отталкивания удерживает молекулы твёрдых тел и жидкостей на определённом расстоянии, сравнимом с размерами молекул. При увеличении расстояния между молекулами начинает преобладать притяжение, а при уменьшении — отталкивание. Поэтому для того, чтобы изменить расстояние между молекулами, нужно прикладывать усилие.»

Здесь и дальше в уроке это расстояние называется «равновесным» — так удобнее для речи. В самом учебнике та же мысль звучит проще: «определённое расстояние». Если сверяешься с параграфом перед контрольной, ищи именно эту формулировку.

**Пример: Опыт: почувствуй отталкивание молекул руками**

1. Набери в шприц немного воды и постарайся выгнать из него весь воздух — иначе результат смажется: воздух сжимается легко, а вода почти нет.
2. Заткни носик шприца пальцем, чтобы вода не могла вытечь.
3. Аккуратно, но с усилием попробуй вдавить поршень внутрь.
4. Поршень почти не сдвинется: вода не сжимается, потому что её молекулы уже уперлись друг в друга отталкиванием — тем самым, о котором говорилось выше, только теперь его чувствуешь не в мысленном опыте с пружиной, а прямо ладонью.

**Неправильно:** Раз молекулы и притягиваются, и отталкиваются одновременно, значит, эти силы гасят друг друга полностью, и на молекулы вообще ничего не действует.
**Правильно:** Силы не гасят друг друга полностью — они уравновешены только на одном определённом расстоянии. Стоит молекулам сдвинуться ближе или дальше — баланс тут же нарушается, и одна из сил начинает преобладать, возвращая молекулы обратно.

**Проверь себя:** Резиновый жгут растянули и держат в таком положении. Какая сила сейчас преобладает между его молекулами и куда она их тянет?
**Ответ:** Преобладает притяжение — молекулы разошлись дальше равновесного расстояния, и притяжение тянет их обратно, друг к другу; поэтому жгут стремится сжаться, как только его отпустят.

### Проверь себя

**Ты сдавливаешь стальную пружину руками, и она сопротивляется, толкая ладони назад. Какая сила молекул стали при этом растёт?**
- Растёт притяжение между молекулами, потому что при сжатии они становятся друг к другу заметно ближе, чем были
- Растёт обычная сила трения между соседними слоями металла внутри самой пружины
- Растёт электрический заряд, который накапливается на поверхности пружины при сжатии руками
- Растёт отталкивание между молекулами, потому что при сжатии расстояние между ними становится меньше равновесного, привычного для стали — верно
> Отталкивание заметно проявляется, когда расстояние между молекулами становится меньше их размера, — именно это и происходит при сжатии.

**Ты растягиваешь ту же пружину — и она снова сопротивляется, только теперь тянет ладони обратно к себе. Что изменилось в поведении молекул по сравнению со сжатием?**
- Расстояние между молекулами увеличилось сверх равновесного, и теперь среди двух сил преобладает притяжение — оно и тянет пружину обратно — верно
- Расстояние между молекулами, наоборот, уменьшилось, и теперь среди двух сил преобладает отталкивание, толкающее пружину назад
- Молекулы стали при растяжении начали двигаться заметно быстрее и от этого сильнее толкаются друг о друга
- Молекулы стали при растяжении вообще перестали взаимодействовать между собой, сопротивляется только металл как единое целое
> При увеличении расстояния между молекулами начинает преобладать притяжение — оно и возвращает пружину к прежней длине.

**Одноклассник говорит: «Если бы между молекулами не было отталкивания, а было бы только притяжение — вещество вело бы себя примерно так же, просто было бы чуть плотнее». Прав ли он?**
- Прав: отталкивание почти не влияет на форму и объём твёрдых тел, оно важно в основном для газов
- Не прав: без отталкивания одно притяжение стянуло бы все молекулы в одну точку, и тела с объёмом просто не существовало бы — верно
- Прав: отталкивание нужно в основном для того, чтобы тела не проходили друг сквозь друга при столкновении на большой скорости
- Не прав: без отталкивания молекулы, наоборот, разлетелись бы во все стороны и вещество превратилось бы в газ
> Именно баланс притяжения и отталкивания удерживает молекулы на определённом расстоянии; без отталкивания притяжение ничем не уравновешено и стягивало бы молекулы всё ближе.

## 3. Как притяжение молекул заставляют работать на нас

*Сварка, пайка, склеивание и притяжение между разными веществами*

Люди заметили: если поверхности слишком неровные, чтобы молекулы сами оказались вплотную, — можно им в этом помочь. Три главных способа сблизить молекулы там, где сами поверхности не справляются, — сварка, пайка и склеивание.

**Три способа сблизить молекулы**

«a — сварка (вид соединения тел через расплавление и сближение молекул металлов)», «б — пайка (вид соединения тел через расплавление и сближение молекул металлов)», «в — склеивание (вид соединения тел с помощью клея, когда сблизить молекулы напрямую не удаётся из-за неровностей поверхности)».

*Рисунок: Сварка: искры летят от сварочного аппарата к металлической балке — жар расплавляет края деталей*

*Рисунок: Пайка: паяльник соединяет две изолированные жилы провода расплавленным припоем*

*Рисунок: Склеивание: две деревянные планки, промазанные клеем и сжатые струбцинами, пока клей не застынет*

**Способ запомнить**

Опорная связка: сварка расплавляет сам металл деталей — молекулы сближаются напрямую. Пайка расплавляет только припой — молекулы сближаются через посредника, а сами детали остаются твёрдыми. Склеивание не может расплавить дерево или бумагу — молекулы сближает клей. Всё это — варианты одного решения: подвести молекулы вплотную там, где сами поверхности для этого слишком неровные.

**Пример: Почему сварной шов обычно прочнее клеевого соединения на том же металле**

1. При сварке плавится сам металл обеих деталей — на границе шва молекулы одного куска и молекулы другого перемешиваются между собой, и после застывания граница между ними почти стирается.
2. При склеивании металл не плавится — клей заполняет промежутки между поверхностями и сам притягивается к молекулам металла с обеих сторон, но между самими деталями остаётся прослойка из другого вещества — клея.
3. Прочность шва в итоге определяется самым слабым звеном: у сварки это сам металл (граница почти исчезла), у склеивания — прочность самого клеевого слоя и его сцепления с металлом, которая обычно ниже прочности металла.

**Молекулы разных веществ тоже притягиваются**

«Взаимодействуют не только молекулы одного и того же вещества: притяжение между молекулами воды и молекулами стекла больше, чем притяжение молекул воды между собой (опыт со стеклянной пластиной, на которой после отрыва от воды остаётся тонкий слой воды).» Значит, притяжение — не привилегия «своих» молекул: вода «предпочитает» остаться на стекле, а не полностью вернуться в общую массу воды.

**Пример: Опыт: стеклянная пластина и вода**

1. Чистую стеклянную пластину подвешивают на нити за один край.
2. Пластину аккуратно опускают вниз, пока она не коснётся поверхности воды в широком сосуде.
3. Пластину медленно тянут вверх, отрывая от воды.
4. Отрыв идёт не по границе «стекло — воздух», а «по воде»: тонкий слой воды остаётся прилипшим к стеклу, а не стекает целиком обратно в сосуд.
5. Раз вода «предпочла» остаться на стекле, а не вернуться к остальной воде, — значит, притяжение между молекулами воды и молекулами стекла сильнее, чем притяжение молекул воды друг к другу.

**Неправильно:** Клей соединяет детали потому, что застывает и становится твёрдым, как гвоздь, вбитый между ними.
**Правильно:** Клей соединяет детали потому, что его молекулы притягиваются к молекулам обеих поверхностей, а застывание лишь фиксирует это сближение и не даёт слою клея растекаться дальше.

**Проверь себя:** Почему для склеивания двух деревянных планок клей сначала наносят жидким, а не сразу твёрдым куском?
**Ответ:** Жидкий клей затекает во все неровности поверхности дерева и подходит вплотную к молекулам с обеих сторон — только тогда включается притяжение; твёрдый кусок клея лежал бы сверху, как ещё один неровный предмет, не касаясь дерева на молекулярном уровне.

### Проверь себя

**Сварщик расплавляет края двух металлических деталей и сближает их, пока металл ещё жидкий. Зачем нужно именно расплавление, а не просто сильное сжатие холодных деталей?**
- Расплавленный металл становится намного легче гнуть, поэтому детали проще точно подогнать друг к другу по форме
- Расплавление убирает с краёв деталей немного лишнего металла, и итоговый шов получается легче и аккуратнее
- Расплавленный металл течёт и заполняет даже мелкие неровности на стыке, поэтому молекулы двух деталей оказываются по-настоящему вплотную друг к другу — верно
- Расплавление на время делает металл видимым насквозь, почти прозрачным для человеческого глаза, и сварщику становится значительно проще визуально контролировать качество получившегося шва
> Расплав затекает во все неровности стыка, и молекулы двух деталей оказываются на расстоянии, где работает притяжение, — холодное сжатие такого контакта не даёт.

**При пайке нагревают не сами провода, а только припой между ними. Чем пайка в этом смысле отличается от сварки?**
- Пайка сближает молекулы самих проводов напрямую, а сварка, наоборот, действует в основном через слой промежуточного припоя
- Пайка вообще не опирается на притяжение молекул, а держит соединение в основном за счёт силы трения между жилами
- Пайка годится в основном для тонких проводов, а сварка применяется в основном для деталей крупнее ладони
- Пайка сближает молекулы через расплавленный посредник — припой, при этом сами провода не плавятся, в отличие от сварки, где плавится металл самих деталей — верно
> Сварка плавит сам металл деталей, пайка — только припой-посредник; провода при пайке остаются твёрдыми.

**Стеклянную пластину окунули в воду и вытащили. На пластине остался тонкий слой воды. Что это доказывает?**
- Это доказывает, что притяжение между молекулами воды и молекулами стекла сильнее, чем притяжение молекул воды друг к другу — верно
- Это доказывает, что вода попросту тяжелее стекла и поэтому прилипает почти к любой сухой поверхности
- Это доказывает, что стекло понемногу впитывает воду, как губка, на глубину примерно в один слой молекул
- Это доказывает, что молекулы воды между собой вообще никак не притягиваются друг к другу
> Слой воды остаётся на стекле именно потому, что притяжение молекул воды к молекулам стекла сильнее, чем притяжение молекул воды друг к другу.

## Ключевые термины

- **Притяжение молекул** — Взаимное притяжение между молекулами вещества, заметное на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул; у разных веществ разное по силе — этим объясняется разная прочность материалов.
- **Отталкивание молекул** — Сила, которая заметно проявляется между молекулами на более близких расстояниях, чем притяжение, — то есть когда расстояние между молекулами меньше их размера.
- **Равновесное расстояние** — Расстояние между молекулами твёрдого тела или жидкости, на котором притяжение и отталкивание уравновешивают друг друга; чтобы его изменить, нужно приложить усилие.
- **Сварка** — Соединение тел через расплавление и сближение молекул самого металла деталей.
- **Пайка** — Соединение тел через расплавление и сближение молекул металлов с помощью припоя-посредника.
- **Склеивание** — Соединение тел с помощью клея — применяется, когда молекулы поверхностей напрямую сблизить не удаётся из-за неровностей.

## Итог

- Молекулы любого вещества притягиваются друг к другу, но лишь на расстояниях, сравнимых с размером самой молекулы — поэтому нужен настоящий плотный контакт, а не просто соседство.
- Чем ближе молекулы подходят друг к другу, тем сильнее становится не только притяжение, но и отталкивание — и именно баланс этих двух сил держит молекулы твёрдых тел и жидкостей на определённом расстоянии.
- Плохо отшлифованные поверхности почти не соприкасаются на уровне молекул — оттого два обычных бруска не слипаются, а хорошо отшлифованные или расплавленные — слипаются.
- Сварка, пайка и склеивание — три разных способа сблизить молекулы там, где сами поверхности слишком неровные: через расплав самого металла, через расплав припоя-посредника или через клей.
- Молекулы разных веществ тоже притягиваются друг к другу, и иногда сильнее, чем молекулы одного вещества между собой — как вода к стеклу.

## Шпаргалка

**Молекулярное притяжение и отталкивание**

- Притяжение — на расстояниях, сравнимых с размером молекулы; сила зависит от вещества (влияет на прочность материала).
- Отталкивание — на ещё более близких расстояниях, чем притяжение.
- Баланс притяжения и отталкивания держит молекулы твёрдых тел и жидкостей на равновесном расстоянии (в учебнике — «определённом расстоянии»); чтобы его изменить — нужна сила.

| Признак | Притяжение | Отталкивание |
| --- | --- | --- |
| На каком расстоянии заметнее | Сравнимо с размером молекулы или немного больше | Меньше размера молекулы — совсем близко |
| Когда преобладает | Когда расстояние больше равновесного | Когда расстояние меньше равновесного |
| При растяжении тела | Преобладает, тянет обратно | Ослабевает |
| При сжатии тела | Ослабевает | Преобладает, толкает обратно |

- Плохо отшлифованные поверхности почти не касаются на уровне молекул — поэтому для слипания без клея нужна хорошая шлифовка.
- Сварка — плавят сам металл деталей. Пайка — плавят только припой-посредник. Склеивание — сближают через клей, когда расплавить нельзя.
- Молекулы разных веществ тоже притягиваются — иногда сильнее, чем молекулы одного вещества между собой (вода ↔ стекло).

## Любопытное

- Если бы удалось идеально отшлифовать и полностью очистить от загрязнений две плоские металлические плиты, они слиплись бы намертво просто от соприкосновения — в вакууме такой эффект («холодная сварка») иногда мешает работе спутников: их металлические детали могут внезапно «свариться» друг с другом без всякого нагрева.
- Свинец для опыта со сцепленными цилиндрами берут не за гладкость среза, а за мягкость: под нажимом, когда половинки прижимают друг к другу, пластичный свинец слегка сминается на срезе — и площадь настоящего молекулярного контакта резко растёт, куда больше, чем дал бы такой же нажим на твёрдый металл.