التوتر السطحي هو ظاهرة يكون فيها سطح السائل ، حيث يتلامس السائل مع الغاز ، بمثابة ورقة مرنة رقيقة ، ويُستخدم هذا المصطلح عادةً فقط ، عندما يكون سطح السائل ملامسًا للغاز (مثل الهواء) ، أما إذا كان السطح بين سائلين (مثل الماء والزيت) ، فإنه يسمى (توتر الواجهة).

أسباب التوتر السطحي

تقوم قوى بين الجزيئات المختلفة ، مثل قوى فان دير والز ، بتجميع الجزيئات السائلة معًا ، على طول السطح ، ويتم سحب الجسيمات باتجاه باقي السائل ، كما يتم تعريف التوتر السطحي (المشار إليه بغاما اليونانية المتغيرة) على أنه نسبة قوة السطح F إلى الطول d الذي تعمل على طوله القوة : جاما = F / d.

وحدات التوتر السطحي

يتم قياس التوتر السطحي بوحدات SI من N / m (نيوتن لكل متر) ، وعلى الرغم من أن الوحدة الأكثر شيوعًا ، هي وحدة cgs ، dyn / cm (داين في السنتيمتر) ، ومن أجل النظر في الديناميكا الحرارية للموقف ، فمن المفيد في بعض الأحيان النظر فيه من حيث العمل لكل وحدة مساحة ، وحدة SI ، في هذه الحالة هي J/m2 (الجول لكل متر مربع) ، وحدة cgs هي erg / cm2.

وتربط هذه القوى جزيئات السطح معًا ، على الرغم من أن هذا الربط ضعيف ، ومن السهل جدًا كسر سطح السائل بعد كل شيء ، إلا أنه يظهر بطرق عديدة.

أمثلة على التوتر السطحي

عند استخدام قطارة الماء ، لا يتدفق الماء في تيار مستمر ، بل في سلسلة من القطرات ، وسبب القطرات هو التوتر السطحي للماء ، السبب الوحيد في أن قطرة الماء ليست كروية تمامًا ، هو أن قوة الجاذبية تتساقط عليها ، في حالة عدم وجود الجاذبية ، فإن الهبوط سيقلل من مساحة السطح لتقليل التوتر ، مما يؤدي إلى شكل كروي مثالي.

العديد من الحشرات قادرة على المشي على الماء ، مثل ستردير المياه ، وتتشكل أرجلهم لتوزيع وزنهم ، مما يتسبب في انخفاض سطح السائل ، مما يقلل من الطاقة الكامنة لخلق توازن القوى ، بحيث يمكن للمرور أن يتحرك عبر سطح الماء ، دون اختراق السطح ، وهذا مشابه من حيث المفهوم لارتداء أحذية الثلوج ، والتي تستخدم للمشي عبر الانحدارات الثلجية العميقة ، دون أن تغوص قدميك.

على الرغم من أن كثافة هذه الأجسام أكبر من الماء ، فإن التوتر السطحي على طول الاكتئاب ، يكفي لمواجهة قوة الجاذبية المتساقطة على الجسم المعدني. وبإمكانك القيام بتجربة خدعة الإبرة العائمة بنفسك.

تشريح فقاعة صابون

عندما تنفخ فقاعة صابون ، فأنت تخلق فقاعة هواء مضغوطة ، موجودة داخل سطح مرن ورقيق من السائل ، ولا تستطيع معظم السوائل الحفاظ على توتر سطحي مستقر لتكوين فقاعة ، ولهذا السبب يتم استخدام الصابون بشكل عام في هذه العملية ، فهي تثبت التوتر السطحي ، من خلال شيء يسمى تأثير مارانجوني.

وعندما يتم نفخ الفقاعة ، يميل الفيلم السطحي إلى الانكماش ، وهذا يتسبب في زيادة الضغط داخل الفقاعة ، ويستقر حجم الفقاعة عند حجم حيث لن ينكمش الغاز داخل الفقاعة أكثر من ذلك ، على الأقل دون تفجير الفقاعة.

وفي الواقع ، هناك واجهتان للغاز السائل على فقاعة صابون ، واحدة داخل الفقاعة ، والأخرى خارج الفقاعة ، ويوجد بين السطحين طبقة رقيقة من السائل ، ويحدث الشكل الكروي لفقاعة الصابون ، بسبب تقليل مساحة السطح ، بالنسبة لحجم معين ، وتكون الكرة دائمًا هي الشكل الذي يحتوي على أقل مساحة سطحية.

الضغط داخل فقاعة صابون

للنظر في الضغط داخل فقاعة الصابون ، نعتبر نصف القطر R من الفقاعة وكذلك التوتر السطحي ، غاما للسائل (الصابون في هذه الحالة – حوالي 25 dyn / cm) ، ثم نبدأ بافتراض عدم وجود ضغط خارجي (وهذا بالطبع ليس صحيحًا ، لكننا سنهتم بذلك بعد قليل) ، ثم تفكر في مقطع عرضي من خلال مركز الفقاعة.

على طول هذا المقطع العرضي ، بتجاهل الاختلاف الطفيف جدًا في نصف القطر الداخلي ، والخارجي ، نحن نعلم أن المحيط سيكون 2pi R. سيكون لكل سطح داخلي وخارجي ضغط غاما على طول الطول بالكامل ، لذا يكون الإجمالي.

وبالتالي ، فإن القوة الكلية من التوتر السطحي (من كل من الفيلم الداخلي والخارجي) هي 2gamma (2pi R)، ولكن داخل الفقاعة ، لدينا ضغط p يعمل على المقطع العرضي الكامل pi R2 ، مما يؤدي إلى قوة إجمالية p (pi R2).

ونظرًا لأن الفقاعة مستقرة ، يجب أن يكون مجموع هذه القوى صفرًا حتى نحصل على:

2 جاما (2 pi R) = p (pi R 2).
أو ص = 4 جاما / ص.

ومن الواضح أن هذا كان تحليلاً مبسطًا ، حيث كان الضغط خارج الفقاعة ، ولكن تم توسيعه بسهولة للحصول على الفرق بين الضغط الداخلي p ، والضغط الخارجي  pe:

p – pe = 4 gamma / R                

الضغط في قطرة سائلة

ويعد تحليل قطرة سائل ، على عكس فقاعة الصابون ، أبسط. بدلاً من سطحين ، لا يوجد سوى السطح الخارجي الذي يجب مراعاته ، لذلك يسقط عامل 2 من المعادلة السابقة (تذكر أين ضاعفنا التوتر السطحي لحساب سطحين؟) لتحقيق:

2 جاما / ص= p – pe 

زاوية الاتصال

يحدث التوتر السطحي أثناء واجهة غاز – سائل ، ولكن إذا لامست تلك الواجهة سطحًا صلبًا ، مثل جدران الحاوية ، تنحني الواجهة عادةً لأعلى أو لأسفل ، بالقرب من ذلك السطح ، ويُعرف شكل السطح المقعر أو المحدب باسم الغضروف الهلالي.

ويمكن استخدام زاوية التلامس ، لتحديد العلاقة بين التوتر السطحي السائل الصلب والتوتر السطحي للغاز السائل ، على النحو التالي : gamma ls = – gamma lg cos theta

• gammals هو التوتر السطحي الصلب السائل.
• gammalg هو التوتر السطحي للغاز السائل.
• وثيتا هي زاوية الاتصال.

وهناك شيء واحد يجب مراعاته في هذه المعادلة ، هو أنه في الحالات التي يكون فيها الغضروف المحدب محدبًا (أي أن زاوية الاتصال أكبر من 90 درجة) ، فإن مكون جيب التمام لهذه المعادلة سيكون سلبيًا ، مما يعني أن التوتر السطحي السائل سيكون إيجابيًا.

ومن ناحية أخرى ، إذا كان الهلالة مقعرة (أي ينخفض ، وبالتالي تكون زاوية الاتصال أقل من 90 درجة) ، فإن مصطلح كوس ثيتا إيجابي ، وفي هذه الحالة ستؤدي العلاقة إلى توتر سطحي سلبي صلب ، ما يعنيه هذا بشكل أساسي ، هو أن السائل يلتصق بجدران الحاوية ، ويعمل على تعظيم المنطقة الملامسة للسطح الصلب ، وذلك لتقليل الطاقة الكامنة الإجمالية.

الخاصية الشعرية

تأثير آخر يتعلق بالمياه في الأنابيب العمودية ، هو خاصية الشعرية ، حيث يصبح سطح السائل مرتفعًا ، أو منخفضًا داخل الأنبوب ، فيما يتعلق بالسائل المحيط ، ويرتبط هذا أيضًا بزاوية الاتصال الملحوظة.

فإذا كان لديك سائل في وعاء ، وقمت بوضع أنبوب ضيق (أو شعري) ، نصف القطر r في الحاوية ، فإن الإزاحة الرأسية y ، التي ستحدث داخل الشعيرات الدموية تُعطى بالمعادلة التالية:

y = (2 gamma lg cos theta) / ( dgr)

• y هو الإزاحة الرأسية (للأعلى إذا كانت موجبة ، وللأسفل إذا كانت سلبية).
• gammal هو التوتر السطحي للغاز السائل.
• ثيتا هي زاوية الاتصال.
• d هي كثافة السائل.
• g هو تسارع الجاذبية.
• ص هو نصف قطر الشعيرات الدموية.

مرة أخرى ، إذا كان ثيتا أكبر من 90 درجة (هلالة محدبة) ، مما يؤدي إلى توتر سطحي سلبي صلب ، سينخفض مستوى السائل مقارنة بالمستوى المحيط ، على عكس الارتفاع فيما يتعلق به.

وتتجلى Capillarity بطرق عديدة في العالم اليومي ، حيث تمتص المناشف الورقية من خلال الشعرية ، وعند حرق شمعة ، يرتفع الشمع المذاب الفتيل بسبب الشعيرات الدموية ،  وفي علم الأحياء ، على الرغم من ضخ الدم في جميع أنحاء الجسم ، فإن هذه العملية هي التي توزع الدم في أصغر الأوعية الدموية ، التي تسمى بالشعيرات الدموية بشكل مناسب.

تجارب على التوتر السطحي

المواد المطلوبة :

• 10 إلى 12 ربع.
• كوب مملوء بالماء.

ببطء ، ومع يد ثابتة ، أحضر الأرباع واحدًا تلو الآخر إلى مركز الزجاج ، ضع الحافة الضيقة للربع في الماء واتركه ، (هذا يقلل من اضطراب السطح ، ويتجنب تكوين موجات غير ضرورية يمكن أن تسبب تجاوزًا) ، مع استمرارك في المزيد من الأرباع ، ستندهش من الطريقة التي يصبح بها الماء محدبًا فوق الزجاج ، دون أن يفيض!

والمتغير المحتمل : قم بإجراء هذه التجربة باستخدام نظارات متطابقة ، ولكن استخدم أنواعًا مختلفة من العملات المعدنية في كل كوب ، واستخدم نتائج العدد الذي يمكنه الدخول إليه ، لتحديد نسبة أحجام العملات المعدنية المختلفة.

المواد المطلوبة:

• شوكة (البديل 1).
• قطعة من المناديل الورقية (البديل 2)
• ابرة خياطة.
• كوب مملوء بالماء

البديل 1 خدعة

ضع الإبرة على الشوكة ، ثم اخفضها برفق في كأس الماء ، اسحب الشوكة بعناية ، ومن الممكن ترك الإبرة تطفو على سطح الماء ، تتطلب هذه الخدعة يدًا ثابتة حقيقية ، وبعض الممارسة ، لأنه يجب عليك إزالة الشوكة بطريقة لا تبتل فيها أجزاء من الإبرة ، أو ستغرق الإبرة ، كما يمكنك فرك الإبرة بين أصابعك مسبقًا بالزيت ، مما يزيد من فرص نجاحك.

البديل 2 خدعة

ضع إبرة الخياطة على قطعة صغيرة من المناديل الورقية (كبيرة بما يكفي لحمل الإبرة) ، ويتم وضع الإبرة على المناديل الورقية ، وسوف تنقع المناديل الورقية بالماء ، وتغوص في قاع الزجاج ، تاركة الإبرة تطفو على السطح.

المواد المطلوبة:

• شمعة مضاءة (ملاحظة: لا تلعب مع المباريات دون موافقة الوالدين والإشراف).
• قمع.
• المنظفات أو محلول فقاعات الصابون.

ضع إبهامك على الطرف الصغير من القمع ، أحضره بعناية نحو الشمعة ، أزل إبهامك ، وسيتسبب شد سطح فقاعة الصابون في الانقباض ، مما يجبر الهواء على الخروج من القمع ، يجب أن يكون الهواء الذي أخرجته الفقاعة كافيًا لإطفاء الشمعة.