تويت
ما هو التوتر السطحي
هل شاهدت يومًا مشبك ورقٍ طافيًا على سطح الماء وتساءلت عن سبب حدوث ذلك؟ وكيف لا يغرق ذلك المشبك بمجرد أن لامس سطح الماء؟ وفقًا لعلوم الفيزياء، فهذا في الواقع تأثير التوتر السطحي للسائل.
تفسير الظاهرة
تعتبر قوى التماسك بين جزيئات السوائل سبب حدوث ظاهرة التوتر السطحي؛ حيث لا تمتلك الجزيئات على سطح كأسٍ من الماء جزيئات مجاورة لها في كل الاتجاهات للارتباط بها، فتزداد نتيجةً لذلك قوى تماسكها مع تلك المحيطة بها مما يسبب صعوبةً أكبر في تحريك جسمٍ غريبٍ خلال سطح السائل بالمقارنة مع جسمٍ مغمورٍ تمامًا بالماء.
أي أن التوتر السطحي الناتج عن تجاذب خلايا سطح السائل يعطي مقاومةً أكبر للسطح ضد أي قوةٍ خارجيةٍ مطبقةٍ عليه تتواجد هذه المقاومة فقط على سطح السائل، بينما تنعدم داخله بسبب تواجد جزيئاتٍ كافيةٍ حول أي جزيءٍ من السائل للارتباط، وبسبب هذه الظاهرة يمكن لبعض الأجسام الصغيرة أن تطفو على سطح الماء بشرط ألا تكسر أول طبقةٍ من جزيئات السائل بحيث يصبح سطح السائل كغشاءٍ مرنٍ.
العوامل المؤثّرة
تبقى مميزات التوتر السطحي للسائل ثابتةً بشكلٍ عام، ولكن يمكن أن تتغير بتغير درجات الحرارة، وتأثير المواد الكيماوية والأكسدة أو وجود الشوائب.
أهم ظواهر التوتر السطحي
معادلة التوتر السطحي
يمكن تعريف التّوتر السطحي بحاصل قسمة القوة المطبقة على سطح سائلٍ ما على المسافة التي تطبق عليها القوة
γ = F /d؛ حيث إنّ:
قوى التلاصق والتماسك
هناك العديد من المفاهيم الأُخرى المهمة التي ترتبط بالتوتر السطحي، أولها فكرة قوى التلاصق والتماسك؛ فقوى التماسك هي تلك التي تجمع السائل بحيث يغطي أقل مساحةٍ ممكنةٍ من مساحة السطح، وقوى التلاصق هي تلك التي تحاول تشكيل السائل بشكلٍ يجعله ينتشر على أكبر قدرٍ ممكنٍ من مساحة السطح.
إذا كانت قوى التماسك أقوى من قوى الالتصاق، فإن جسم الماء سوف يحافظ على شكله، وإذا كان العكس صحيحًا فإن السائل سوف ينتشر، بما يزيد من مساحة السطح. كما تسمى أي مادةٍ يمكنك إضافتها إلى سائلٍ بما يسمح بزيادة مساحة سطحه بمادة ترطيبٍ.
تفسير الظاهرة
تعتبر قوى التماسك بين جزيئات السوائل سبب حدوث ظاهرة التوتر السطحي؛ حيث لا تمتلك الجزيئات على سطح كأسٍ من الماء جزيئات مجاورة لها في كل الاتجاهات للارتباط بها، فتزداد نتيجةً لذلك قوى تماسكها مع تلك المحيطة بها مما يسبب صعوبةً أكبر في تحريك جسمٍ غريبٍ خلال سطح السائل بالمقارنة مع جسمٍ مغمورٍ تمامًا بالماء.
أي أن التوتر السطحي الناتج عن تجاذب خلايا سطح السائل يعطي مقاومةً أكبر للسطح ضد أي قوةٍ خارجيةٍ مطبقةٍ عليه تتواجد هذه المقاومة فقط على سطح السائل، بينما تنعدم داخله بسبب تواجد جزيئاتٍ كافيةٍ حول أي جزيءٍ من السائل للارتباط، وبسبب هذه الظاهرة يمكن لبعض الأجسام الصغيرة أن تطفو على سطح الماء بشرط ألا تكسر أول طبقةٍ من جزيئات السائل بحيث يصبح سطح السائل كغشاءٍ مرنٍ.
العوامل المؤثّرة
تبقى مميزات التوتر السطحي للسائل ثابتةً بشكلٍ عام، ولكن يمكن أن تتغير بتغير درجات الحرارة، وتأثير المواد الكيماوية والأكسدة أو وجود الشوائب.
- تغير درجات الحرارة: يزداد التوتر السّطحي مع انخفاض درجات الحرارة، وعلى العكس مع انخفاض التوتر السطحي، فعند ارتفاع الحرارة يزداد نشاط الجزيئات المتواجدة في الطبقة السطحية للسائل.
- إضافة المواد الكيميائية: إن إضافة المواد الكيميائية إلى السائل سيغير خصائص توتره السطحي، وكمثالٍ على ذلك إضافة الصابون إلى الماء الذي يقلل من التوتر السطحي له مما يسمح للتراب على اليدين الاختلاط بالماء بسهولةٍ أكبر.
- الأكسدة: تؤثر الأكسدة بشكلٍ مباشرٍ على التوتر السطحي. مع زيادة التوتر السطحي تزداد قوى التجاذب بين الجزيئات. كما أن الأكسجين الموجود في الجو يقلل من التوتر السطحي للمواد المختلفة.
- وجود الشوائب: إن وجود الشوائب على سطح مادةٍ ما، أو إذابتها، يؤثر بشكلٍ مباشرٍ على التوتر السطحي للسائل. على سبيل المثال يزداد التوتر السطحي للماء عند إضافة شوائبَ شديدة الذوبان إليه.
أهم ظواهر التوتر السطحي
- إذا وضعت إبرةً صغيرةً بعنايةٍ على السطح، ستطفو على سطح الماء على الرغم من كون كثافتها أكبر بمراتٍ كثيرةٍ من كثافة الماء، وإذا تم تحريك السطح بهدف تحطيم التوتر السطحي تغرق الإبرة بسرعةٍ
- تساعد المنظفات في تنظيف الملابس عن طريق خفض التوتر السطحي للماء؛ بحيث يتسرب بسهولةٍ أكبر إلى المسام ليصل المناطق المتسخة.
- السبب الرئيسي لاستخدام الماء الساخن للغسيل هو أن التوتر السّطحي له أقل من الماء البارد كما شرحنا سابقًا، كما أنه يبلل الثياب بشكلٍ أفضل. ولكن تواجد المنظف يساهم في تقليل التّوتر السطحيّ ويغنينا عن استخدام الماء الساخن
- المواد المصنوعة منها الخيم إلى حدٍ ما مقاومة للمطر؛ حيث أن التوتر السطحي للماء الملامس لها لا يستطيع الدخول عبر مسام المادة المصنعة منها الخيمة. لكن إذا قمت بلمس الخيمة بإصبعك، ينكسر التوتر السطحي للماء ويبدأ تسرب المطر عبر القماش.
- المشي على الماء؛ حيث يمكن للحشرات الصغيرة مثل الجديري (Water Strider) أن تستغل التوتر السطحي ووزنها الخفيف للمشي على الماء بدون أن تخترقه باستخدام أرجلها الطويلة وتوزيع ثقلها بشكلٍ مناسبٍ على سطح الماء، حيث تكون أرجل الحشرة قويةً وبنفس الوقت قابلةً للتأقلم مع تحركات المياه تحتها بحيث تتحرك معها بدون أن يؤدي ذلك الى كسر توتر السطح.
معادلة التوتر السطحي
يمكن تعريف التّوتر السطحي بحاصل قسمة القوة المطبقة على سطح سائلٍ ما على المسافة التي تطبق عليها القوة
γ = F /d؛ حيث إنّ:
- γ تشير الى التوتر السطحي.
- F هي القوة المطبقة على السائل.
- D المسافة التي تطبق عليها القوة.
قوى التلاصق والتماسك
هناك العديد من المفاهيم الأُخرى المهمة التي ترتبط بالتوتر السطحي، أولها فكرة قوى التلاصق والتماسك؛ فقوى التماسك هي تلك التي تجمع السائل بحيث يغطي أقل مساحةٍ ممكنةٍ من مساحة السطح، وقوى التلاصق هي تلك التي تحاول تشكيل السائل بشكلٍ يجعله ينتشر على أكبر قدرٍ ممكنٍ من مساحة السطح.
إذا كانت قوى التماسك أقوى من قوى الالتصاق، فإن جسم الماء سوف يحافظ على شكله، وإذا كان العكس صحيحًا فإن السائل سوف ينتشر، بما يزيد من مساحة السطح. كما تسمى أي مادةٍ يمكنك إضافتها إلى سائلٍ بما يسمح بزيادة مساحة سطحه بمادة ترطيبٍ.