التعليموظائف و تعليم
ما هو التوتر السطحي
التوتر السطحي هو ظاهرة ملحوظة في حياتنا اليومية، ويرمز له في الفيزياء بالحرف “ت”، وهو ببساطة غطاء غير مرئي يتشكل فوق سطح الماء، ويمكن للحشرات الوقوف عليه بسهولة، وذلك يحدث بسبب قوى الجذب بين جزيئاته، وفي هذا المقال في موقعنا في موسوعة، سنشرح بالتفصيل كيفية حدوث التوتر السطحي وطبيعته، ونستعرض العوامل التي تؤثر عليه، ومواقع وجوده وتأثيره في حياتنا اليومية، بالإضافة إلى طرق قياسه والمعادلة الرياضية المستخدمة في ذلك.
ما هو التوتر السطحي
- التوتر السطحي هو ظاهرة طبيعية لاحظها العلماء وتم تعريفها لدراسة خصائصها، وهو حركة وتغير يحدث في المواد السائلة ويجعل سطحها يهتز بمرونة مثل الورقة، كما يجعل المواد المعدنية الصلبة تطفو على سطح الماء ولا تغوص، وهو العامل الرئيسي لعملية “الخاصية الشعرية” التي تجعل الحشرات تستطيع الوقوف والحركة على الماء بسهولة، وإذا كان هناك تأثير سائل على سائل آخر فإنه يسمى “التوتر الواجهي.
- عندما يتجمع السائل في الحاوية، يحدث ذلك بسبب قوى الجذب بين الجزيئات أو قوة التماسك التي يتمتع بها الماء، وبالتالي تتأثر قوى الجذب والتلاصق التي تنتمي إلى الخصائص الفيزيائية للوسط المختلف سواء كانت سائلة أو صلبة أو غازية.
- يحدث بسبب الروابط الفيزيائية الموجودة بين الجزيئات والذرات والروابط بينهم، ونجد أن الجزيئات على أي سطح مائي تزداد قوة ترابطها مقارنة بالجزيئات الداخلية الأخرى الموجودة في داخل الإناء.
- تأخذ قطرات السوائل والنقاط شكلا كرويا دقيقا، وذلك بسبب توتر السطح الذي ينشأ عن قوى الجذب القوية التي تتعرض لها السوائل المتواجدة على السطح من السوائل الداخلية، مما يؤدي إلى انكماش وتقلص سطح السائل، مما يجعله يأخذ مساحة صغيرة مقارنة بحجمه.
- الجزيئات التي تظهر على سطح الإناء تكون أصغر من جزيئات السائل، لأن المسافة بينهما أكبر من المسافة بينهما في السائل.
- لأن جزيئات السطح لديها طاقة أعلى من جزيئات السائل الداخلية، فإنه لا يمكن فك الروابط بين جزيئاتها بسهولة.
العوامل المؤثرة على التوتر السطحي
- نوع السائل: قيمة التوتر السطحي تختلف من سائل إلى آخر ؛ هناك سوائل ذات توتر سطحي عال وسوائل ذات توتر سطحي ضعيف. تختار الحشرة السائل ذو التوتر السطحي العالي للوقوف عليه.
- درجة الحرارة: إذا كانت حرارة السائل مرتفعة جدا أو تقترب من نقطة الغليان، فسطح السائل يفقد خاصية التوتر، حيث يوجد علاقة عكسية بين درجة الحرارة وتوتر السطح.
أثره على حياتنا اليومية
- تتخذ قطرات السوائل شكلا كرويا لأنها تحتل مساحة سطح صغيرة.
- يمكن أن تسبب بعض المواد تأثيرا معينا عند تعرضها لنوع محدد من السوائل، بينما لا تسبب نفس السائل تأثيرا على مواد أخرى، مثل عدم قدرة الماء على التصاقه بالأسطح الشمعية، حيث يتواجد على شكل قطرات كروية دون أن يبللها.
- يتم دراسة صنع المظلات والمعاطف التي تستخدم في الأمطار بدقة.
- نجد أن التوتر السطحي للماء عالي جدا، وبالتالي لا يمكننا أن ننشئ فقاعات من الماء، ولكن إذا أضفنا الصابون إلى الماء، فإن التوتر السطحي يقل ويصبح بإمكاننا إنشاء فقاعات الصابون، وبالإضافة إلى ذلك، يساهم الصابون في إحداث التوازن المناسب ويمكننا أيضا أن نمزج الزيت مع الماء عند إضافته.
- وبسبب التوتر السطحي الضعيف للصابون، يمكنه إزالة الأوساخ والقاذورات من الأسطح.
- يستطيع الحشرات المشي على الماء بسهولة.
قياس التوتر السطحي
يمكنك قياسه عن طريق أنابيب الشعرية، بقياس ارتفاع السائل الموجود داخل الأنبوبة، وقياس نصف قطر الأنبوبة، وإيجاد نقطة التوازن بالتعويض في المعادلة الرياضية التالية
.
.
T: التوتر السطحي.
D: كثافة السائل.
G: عجلة الجاذبية الأرضية.
H: ارتفاع السائل داخل الأنبوبة.
R: نصف قطر الأنبوبة الشعرية.
يُقاس ب: نيوتن/متر N·m−1.