کشش سطحی: نیرویی که باعث می‌شود سطح مایع مانند یک پرده کشسان رفتار کند

کشش سطحی: نیروی اسرارآمیز پرده‌ای آب

کشش سطحی از کجا می‌آید؟ نبرد مولکول‌ها

برای درک این پدیده، باید نگاهی به دنیای بسیار کوچک مولکول‌ها بیندازیم. مولکول‌های یک مایع (مثل آب) به یکدیگر نیروی جاذبه وارد می‌کنند. تصور کنید هر مولکول مانند یک آهنربای کوچک است که به مولکول‌های اطراف خود می‌چسبد.

حالا یک مولکول در درون مایع را با یک مولکول در سطح مایع مقایسه کنید. مولکول درون مایع از همه طرف توسط مولکول‌های دیگر احاطه شده است، بنابراین نیروهای جاذبه از همه جهت به آن وارد می‌شود و یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما مولکول سطحی فقط از طرفین و از پایین همسایه دارد و از طرف بالا (مثلاً هوا) همسایهٔ قوی و مشابهی وجود ندارد. در نتیجه، نیروی خالصی به سمت درون مایع بر این مولکول سطحی وارد می‌شود.

اثرات دیدنی کشش سطحی در طبیعت و زندگی روزمره

این نیروی نامرئی، نمایش‌های زیبایی در اطراف ما خلق می‌کند:

• قطره‌های گرد آب: روی برگ گیاهان یا پس از باران روی شیشهٔ خودرو.
• راه رفتن حشرات آب‌رو: پاهای این حشرها پوشیده از موهای ریز و ضدآب است. وزن حشره آنقدر کم است که نیروی کشش سطحی آب (که مانند یک پرده عمل می‌کند) می‌تواند آن را تحمل کند بدون اینکه پاها در آب فرو روند.
• شناور شدن اشیای سنگین‌تر از آب: اگر یک سوزن یا تیغ ریش‌تراشی را با دقت و به صورت افقی روی سطح آب قرار دهید، می‌تواند شناور بماند. علت این است که کشش سطحی آب، گودی کوچکی روی سطح ایجاد می‌کند که مانند یک کیسهٔ الاستیک، جسم را نگه می‌دارد.
• گریزپایی مایع در سینی: وقتی چند قطره آب روی یک سطح صاف و چرب بریزید، می‌بینید که به هم می‌پیوندند و یک قطرهٔ بزرگ‌تر می‌سازند. این پیوستن برای کاهش سطح کل و صرفه‌جویی در انرژی سطحی رخ می‌دهد.

چگونه کشش سطحی را اندازه می‌گیریم؟ ضریب کشش سطحی

کشش سطحی هر مایع را با یک عدد به نام «ضریب کشش سطحی» نشان می‌دهند. این ضریب که با حرف یونانی $\gamma$ (گاما) نشان داده می‌شود، بیانگر مقدار نیروی لازم برای کشیدن واحد طول از آن پردهٔ فرضی سطحی است. واحد آن در سیستم بین‌المللی، نیوتن بر متر (N/m) است.

یک روش ساده برای اندازه‌گیری نسبی، شمارش قطره‌ها است. اگر یک قطره‌چکان داشته باشید، می‌بینید که مایعات با کشش سطحی بالاتر (مثل آب)، قطره‌های بزرگ‌تری نسبت به مایعات با کشش سطحی پایین‌تر (مثل الکل) تشکیل می‌دهند. زیرا پردهٔ سطحی قوی‌تر می‌تواند وزن بیشتری از مایع را نگه دارد قبل از اینکه قطره جدا شود.

نقش مواد فعال سطحی⁴: قهرمانان کاهش کشش سطحی

موادی هستند که وقتی به آب افزوده می‌شوند، کشش سطحی آن را به شدت کاهش می‌دهند. معروف‌ترین آنها صابون و شوینده‌ها هستند. مولکول‌های این مواد یک سر آب‌گریز⁵ و یک سر آب‌دوست⁶ دارند. وقتی در آب ریخته می‌شوند، سر آب‌گریز آنها از آب فرار می‌کند و به سمت سطح آب می‌آید. این کار باعث می‌شود نیروی جاذبه بین مولکول‌های آب در سطح ضعیف‌تر شود.

چرا با صابون بهتر ظرف می‌شوییم؟ آب خالی به دلیل کشش سطحی بالا، تمایل به جمع شدن و عدم پخش شدن روی سطوح چرب دارد (مثل قطره روی بشقاب چرب). صابون کشش سطحی آب را کم می‌کند و اجازه می‌دهد آب به راحتی روی سطح پخش شود، چربی‌ها را محاصره کرده و با خود بشوید.

کشش سطحی در خدمت علم و فناوری

این نیروی به ظاهر ساده، کاربردهای بسیار مهمی دارد:

• صنعت چاپ: کنترل کشش سطحی جوهر و کاغذ برای پخش یکنواخت و با کیفیت جوهر حیاتی است.
• تولید محصولات دارویی و غذایی: در ساخت کپسول‌ها و امولسیون‌ها (مانند سس مایونز) از کنترل کشش سطحی برای ایجاد قطرات ریز و پایدار استفاده می‌شود.
• تصفیه‌خانه‌های آب: در برخی فرآیندها مانند «شناورسازی با هوای محلول»، از حباب‌های ریز هوا برای چسبیدن به ذرات آلودگی و آوردن آنها به سطح (به کمک کشش سطحی) استفاده می‌کنند.
• زیست‌شناسی و پزشکی: عملکرد ریه‌های انسان وابسته به ماده‌ای به نام «سورفکتانت»⁷ است که کشش سطحی را در کیسه‌های هوایی ریه کاهش می‌دهد و تنفس را آسان می‌کند. نوزادان نارس گاهی دچار کمبود این ماده هستند.

سوالات متداول و باورهای نادرست

پاورقی

¹ کشش سطحی (Surface Tension)
² مویینگی (Capillarity)
³ چسبندگی (Adhesion)
⁴ مواد فعال سطحی (Surfactants)
⁵ آب‌گریز (Hydrophobic)
⁶ آب‌دوست (Hydrophilic)
⁷ سورفکتانت (Surfactant) - همان مواد فعال سطحی که در بدن موجودات زنده تولید می‌شود.
⁸ چگالی (Density)