به نام خالق هستی کشش سطحی
سئوال های کلیدی کشش سطحی چیست ؟ چه عواملی بر کشش سطحی موثرند ؟ کشش سطحی سبب ایجاد کدام پدیده ها می شود ؟
قطرات آب را نگاه کنید ، همیشه کرویند .
تیغ را می توان روی آب شناور کرد .
چگالی تیغ تقریبا 8 برابر چگالی آب است .
قندیل یخ ، از قطره های آب به هم پیوسته تشکیل شده .
آبسوار ، بر روی آب ، گشت وگذار می کند.
چرا قطره های آب ، کروی هستند ؟
چرا تیغ فولادی می تواند بر روی سطح آب شناور بماند ؟
چرا آبسوار می تواند بر روی آب راه برود ؟
سطح آب می تواند مانند یک پوسته لاستیکی کشیده شده عمل کند .
مکانیسم کشش سطحی : نیروی نامتعادل و کشش سطحی
به هر مولکول مایع از سوی سایر مولکول ها ، نیروی ربایشی وارد می شود . مولکول هایی که درون حجم مایع هستند ، از همه جهت ربوده می شوند و برایند نیروی وارد به آن ها صفر است.
برای مولکول های سطح آب ، نیروی خالص رو به پایین وجود دارد.
اما مولکول هایی که در سطح مایع هستند، تنها از یک جهت از سوی دیگرمولکول ها ربوده می شوند و نیروی ربایش در آن سوی مرز مایع (مثلاً از طرف مولکول های هوا) به آن ها کم تر است .
بنابراین ، به مولکول های روی سطح مایع ، نیروی خالصی به سمت درون وارد می شود که این نیرو با مقاومت مایع در برابر فشرده شدن خنثی می شود .
در نتیجه ، نیرویی در مایع به وجود می آید که می خواهد سطح مایع را کم کند .
از همین رو ، سطح مایع به شکل ورقه ای الاستیک عمل می کند و آن قدر جمع می شود که کمترین سطح ممکن را داشته باشد.
اگر یک مولکول سطحی را به آرامی به سمت داخل مایع فرو بریم ، مولکول با یک نیروی بازگرداننده بر می گردد .
آبسوار در کمین شکار نشسته است .
حالا قدرت آبسوار را خواهیم دید ! ! کمی صابون مایع به آب اضافه می کنیم ، آبسوار در هم می پیچد .
آزمایش کنید 1 : با استفاده از یک چنگال ، سوزنی را به آرامی روی سطح آب داخل یک ظرف قرار دهید و با احتیاط چنگال را از زیر سوزن کنار ببرید. چه مشاهده می کنید ؟
اگر سوزن را به طور عمودی در آب بیندازید ، چه اتفاقی می افتد ؟
وقتی سوزن را به طور افقی بر روی آب قرار می دهیم ، بخش بزرگی از آب در گیر می شود و نیروی بین مولکول های زیر و اطراف سوزن ، به قدر کافی بزرگ هستند که بتوانند سوزن را شناور نگه دارند . اما وقتی سوزن به طور عمودی می افتد ، نیروی کشش سطحی در بخش کوچکی از آب ، به قدر کافی بزرگ نیست تا بتواند سوزن را نگه دارد و سوزن به ته آب می رود .
در آزمایش قبل ، می توانید به جای سوزن از گیره کاغذ استفاده کنید . کافی است مطابق تصویر ، یک سر گیره را به صورت عمود بر سطح آن در آورید و از آن به عنوان دستگیره استفاده کنید . گیره به راحتی بر روی آب شناور می ماند .
آزمایش کنید 2 : مقداری آب تمیز در یک کاسه بریزید و مقداری پودر بچه را به آرامی روی آن بپاشید . پودر ها روی آب باقی می مانند . قطره ای مایع ظرف شویی رقیق در وسط ظرف روی آب بریزید . چه اتفاقی می افتد ؟ پودرها به اطراف پخش می شوند، سطح آب در اطراف قطره ی مایع ظرف شویی تمیز می شود. به نظر می رسد سطح آب در محل افتادن قطره مایع ظرف شویی شکافته شده است. در واقع مایع ظرف شویی باعث کم شدن کشش سطحی ، یعنی سست شدن نیروی بین مولکول های سطح آب می شود .
آزمایش کنید 3 : یک ظرف آب خیلی داغ تهیه کنید . با استفاده از چنگال ، سوزنی را به آرامی روی سطح آب قرار دهید و با احتیاط چنگال را از زیر سوزن کنار ببرید. چه مشاهده می کنید ؟ آیا نظیر آزمایش 1 ، سوزن شناور می ماند ؟
آزمایش کنید 4 : استعداد آب در خوردن سکه ! یک لیوان یا شیشه با دهانه گشاد را روی میز قرار دهید و آن را تا لبه از آب پر کنید ، به نحوی که آب لبریز نشود و دیواره خارجی لیوان خشک بماند. حال تعدادی سکه را به آرامی داخل آب بیندازید . خواهید دید که تعداد غیر قابل تصوری سکه در آب جای می گیرد ، بدون آن که آب از لیوان بیرون بریزد . در واقع کشش سطحی آب کمک می کند تا سطح آب برآمده شده و از لبه های لیوان هم بالاتر برود. می توانید به جای سکه از تعداد زیادی گیره کاغذ استفاده کنید .
سطوح کمینه چون نیروهای جاذبه ی بین مولکولی وارد بر یک مولکول سطحی ، فقط از سوی مولکول های مایع داخل توده ی مجاور آن هستند ، لذا این مولکول به طرف داخل کشیده می شود . بنابراین همه ی مولکول های سطح به طرف داخل کشیده می شوند و مطمئناً هرکدام از آن ها اگر امکان بیابند به داخل مایع خواهند رفت . جابه جایی یک مولکول از سطح به سمت داخل ، به معنای کاهش سطح و افزایش ضخامت توده است . روند کاهش سطح تا به دست آمدن سطح کمینه ی ممکن نهایی ،ادامه می یابد . برای کاستن از سطح ، یک مایع همیشه هموارترین شکل ممکن را در سطح خود می گیرد . بنابراین ، مثلاً مایع محدود شده به لبه های یک حلقه ، شکلی تخت ، که دارای سطح کمینه ای در این حالت است ، به خود می گیرد ، یا قطره آب ، کروی می شود .
آزمایش کنید 5 : مقداری از محلول آب و مایع ظرف شویی را در بشر یا کاسه بریزید . مراقب باشید محلول کف نکند. حلقه ای از مفتول سیمی بسازید و مانند شکل، نخی را به آن گره بزنید. حلقه را درون محلول فرو کنید و پس از چند ثانیه آن را به آرامی بیرون بکشید . حباب نازکی روی آن را می پوشاند ( وجود کف روی این حباب باعث سست شدن آن و به هم خوردن آزمایش می شود). حال با دقت به کمک یک سوزن تمیز یا نوک مداد ، حباب یک طرف نخ را بترکانید. حباب طرف دیگر، نخ را می کشد و شکل زیر حاصل می شود. چه اتفاقی افتاد ؟ حباب نازک، به دلیل وجود کشش سطحی که ناشی از نیروی قوی بین مولکول هاست، تمایل دارد مولکول های خود را به جمع ترین شکل ممکن در آورد و کم ترین سطح را اشغال کند. به همین دلیل نخ را به سوی خود می کشد.
نتیجه : عوامل موثر بر کشش سطحی : 1 ) کشش سطحی به نوع ماده بستگی دارد . به طور کلی کشش سطحی مایعاتی که سریع تر تبخیر می شوند (مانند: الکل ) از کشش سطحی مایعات غیر فرار مانند جیوه ضعیف تر است . کشش سطحی جیوه 6/5برابر آب است . 2 ) کشش سطحی برای یک مایع معین به دمای آن بستگی دارد . با افزایش دما ،کشش سطحی کم می شود . مثلا کشش سطحی آب صفر درجه سلسیوس 1/3 برابر کشش سطحی آب 100 درجه سلسیوس است .
حالا باید بتوانید به پرسش های زیر پاسخ دهید :
– چرا لباس ها در آب گرم راحت تر خیس می خورند و آب بهتر در آن ها نفوذ می کند ؟ – چرا از صابون برای شستشو استفاده می کنیم ؟
– تفاوت بین موهای خیس وخشک یک قلم مو در چیست ؟
– چرا قطره ها ی آب کرویند ؟
واقعا چه عاملی می تواندآب را از ریشه به نوک درخت برساند ؟
“Stratosphere Giant”, sequoia, 112.6 m tall
this is a formidable water head
can surface tension really bring water from the roots up to the top?
کاوشگرانه به طبیعت بنگریم.