التوتر السطحي

يمكننا أن نعرف التوتر السطحي على أنه ظاهرة يعمل فيها سطح السائل ، حيث يتلامس السائل مع الغاز المحيط به كسطح مرن رقيق ، يستخدم هذا المصطلح عادة فقط عندما يكون السطح السائل ملامسا للغاز ( مثل الهواء ) .

ما سبب حدوث التوتر السطحي

تقوم قوى الجزيئات المختلفة مثل قوى فاندر فالي ، بجمع الجزيئات السائلة معا على طول السطح ، يتم سحب الجسيمات باتجاه بقية السائل .

يعرف توتر السطح على أنه نسبة القوة السطحية F إلى الطول d الذي تعمل على أساسه القوة : gamma =  F / d  ، ويتم قياس التوتر السطحي بوحدات نيوتن للمتر الواحد .

تربط هذه القوى جزيئات السطح معا ، على الرغم من أن هذا الرابط ضعيف ومن السهل جدا كسر سطح السائل بعد كل شيء ، إلا أن ذلك الترابط قد يظهر في نواح كثيرة .

الفائدة من التوتر السطحي

• يلعب التوتر السطحي دورا رئيسيا في تطوير المنتجات الصناعية ، تقوم أقسام البحث والتطوير في جميع أنحاء العالم بقياس التوتر السطحي ، لتحسين جودة منتجاتها .
• تم تحسين تركيبات المنظفات لتحسين خواص التنظيف لديهم بكميات أقل ، ولتكون أكثر التصاق بالسطح البيئي في درجات حرارة منخفضة .
• تم تصميم الدهانات لتلتصق بشكل أفضل على الأسطح التي يتم تطبيقها عليها ، ويتم تطوير الأدوية لتحسين فعاليتها ، وتعتبر هذه مجرد أمثلة قليلة من الأمثلة العديدة التي يمكن ذكرها .

التوتر السطحي للغازات

على سبيل المثال يوجد غازان في حاوية أحدهما أثقل أو أكثر كثافة بالنسبة للآخر ، بالتالي سيتجمعان على الأرض ، ومن ناحية وجود توتر سطحي لإحداهما سويا ، فليس هناك في الطبيعة توتر سطحي للغازات على الأقل في الظروف العادية .

فبشكل أساسي إذا كان الموجود غازا ، فلا يوجد به توتر سطحي ، التوتر السطحي مستمد من القوى الجاذبة المستمرة بين الجزيئات ، يتم تعريف الغازات من خلال افتقارها الكامل للقوى الجزيئية ، على الأقل في الحالة المثالية ، حتى في ظل الظروف غير المثالية ، فإن القوى الجاذبة الحالية ليست طويلة العمر ، ولن تؤدي إلى أي شيء يشبه التوتر السطحي .

امثلة على ظاهرة التوتر السطحي

قطرات من الماء : عند استخدام قطارة الماء ، فإنك سوف تلاحظ أن الماء لا يتدفق في تيار مستمر ، بل في سلسلة من القطرات ، يمكن القول أن السبب في شكل القطرات هو التوتر السطحي للماء ، السبب الوحيد الذي يجعل قطرة الماء ليست كروية تماما هو أن قوة الجاذبية تسحبه إلى أسفل ، أما في حالة عدم وجود ثقل ، فإن الهبوط سوف يقلل من مساحة السطح من أجل تقليل التوتر ، مما يؤدي إلى شكل كروي تماما في تلك الحالة .

حشرات تمشي على الماء : تستطيع العديد من الحشرات المشي على الماء ، مثل ذبابة الماء ، تتشكل أرجلهم بطريقة مثالية لتوزيع أوزانهم ، مما يؤدي إلى ثبات سطح السائل ، مما يقلل من الطاقة الكامنة لخلق توازن القوى ؛ بحيث يمكن للحشرة أن تتحرك عبر سطح الماء دون اختراق السطح نفسه ، يعتبر هذا مشابه من حيث المفهوم لارتداء أحذية الثلوج للتجول في الثلوج الضخمة دون أن تغرق قدميك فيها .

إبرة تطفو على الماء : على الرغم من أن كثافة هذه الأجسام أكبر من الماء ، إلا أن التوتر السطحي على طول السطح يكفي لمواجهة قوة الجاذبية ، والتي هي السبب في جر الجسم المعدني ، يمكنك أن تضع إبرة معدنية على سطح الماء بدون أن تغرق وخاصة إذا وضعتها على ورقة شجر ، فعندئذ يمكن استخدمها كبوصلة لتحديد اتجاهات الشمال والجنوب بكل بساطة .

التوتر السطحي والخاصية الشعرية

تحدث الخاصية الشعرية لأن جزيئات الماء تترابط بقوة ؛ بسبب قوى التماسك والالتصاق حيث تنجذب جزيئات الماء وتلتصق بمواد أخرى مثل الزجاج أو الورق .

سيؤدي التصاق الماء على سطح المادة إلى قوة تصاعدية على السائل ، يعمل التوتر السطحي لإبقاء السطح على حاله ، تحدث الخاصية الشعرية عندما يكون الالتصاق بالمادة السطحية أقوى من القوى المتماسكة بين جزيئات الماء نفسه ، إن الارتفاع الذي سيأخذه السائل متأثرا بتلك الخاصية محدود بسبب التوتر السطحي والجاذبية .

على سبيل المثال إذا أخذت أنبوبا شعريا صغيرا وأدخلته في الماء ، ولم يكن للأنبوب فراغ مثل البارومتر ولكنه مفتوح من الأعلى ، سيبدأ الماء في الارتفاع ، يريد الماء التمسك بالزجاج وسيؤدي التوتر السطحي إلى دفع الماء للأعلى ، حتى تمنعه قوة الجاذبية من الارتفاع .