کشش سطحی[1]: نیروی نامرئی که جهان مایع را شکل میدهد
کشش سطحی چیست و چرا رخ میدهد؟ (مقدمهای برای همهٔ مقاطع)
فرض کنید یک لیوان آب را آنقدر آرام پر میکنید که آب از لبهٔ لیوان بالاتر بیاید ولی نریزد. یا وقتی یک سوزن را با دقت روی سطح آب میگذارید، شناور میماند. اینها فقط دو مثال ساده از قدرت کشش سطحی هستند.
همهٔ مواد از ذرات ریزی به نام مولکول[3] ساخته شدهاند. در درون یک مایع مثل آب، هر مولکول از همه طرف توسط مولکولهای دیگر احاطه شده و نیروهای جاذبهای یکسانی از همه طرف به آن وارد میشود. اما مولکولهایی که در سطح مایع قرار دارند، وضعیت متفاوتی دارند. از یک طرف (پایین) توسط مولکولهای دیگر مایع جذب میشوند، اما از طرف دیگر (بالا) مولکولهای هوا هستند که جاذبهٔ بسیار ضعیفتری دارند. در نتیجه، این مولکولهای سطحی، یک نیروی خالص به سمت درون مایع احساس میکنند.
این نیروی بهداخلمایع، باعث میشود سطح مایع در برابر گسترش و پارگی مقاومت کند و سعی کند شکلی با کمترین سطح ممکن بگیرد. از نظر هندسی، شکلی که برای یک حجم ثابت کمترین سطح را دارد، کره است. به همین دلیل است که قطرههای کوچک آب و حبابهای صابون در هوا کروی شکل هستند.
عوامل مؤثر بر کشش سطحی: دما، ناخالصی و نوع مایع
میزان کشش سطحی همهٔ مایعات یکسان نیست و تحت تأثیر چند عامل مهم تغییر میکند. این عوامل را میتوان در یک جدول خلاصه کرد:
| عامل | تأثیر | دلیل و مثال |
|---|---|---|
| نوع مایع |
جیوه > آب > الکل (بیشترین به کمترین) |
نیروی چسبندگی[2] بین مولکولهای جیوه بسیار قوی است. کشش سطحی آب به دلیل پیوندهای هیدروژنی[4] بالا است. |
| دما | با افزایش دما کاهش مییابد. | افزایش انرژی جنبشی مولکولها، نیروهای بین مولکولی را تضعیف میکند. مثلاً آب جوش کشش سطحی کمتری نسبت به آب سرد دارد. |
| مواد فعال سطحی[5] (مثل صابون) | کشش سطحی را به شدت کاهش میدهند. | این مولکولها خود را بین مولکولهای آب قرار داده و نیروی کشش بین آنها را میشکنند. به همین دلیل با صابون میتوان حباب ساخت. |
| ناخالصیهای غیرفعال (مثل شکر) | معمولاً کشش سطحی را افزایش میدهند. | این مواد با ایجاد پیوند با مولکولهای آب، شبکهٔ بینمولکولی را محکمتر میکنند. |
کشش سطحی در طبیعت و فناوری: از برگ نیلوفر آبی تا چاپ سهبعدی
کشش سطحی تنها یک پدیدهٔ آزمایشگاهی نیست، بلکه نقش حیاتی در جهان اطراف ما و همچنین در صنایع مختلف ایفا میکند.
در طبیعت:
- پرواز حشرات آبرو: پاهای برخی حشرات مانند پاشناگر[6] پر از موهای ریز و آبگریز است. این موها کشش سطحی آب را نمیشکنند و یک فرورفتگی کوچک روی سطح ایجاد میکنند که مانند یک تخت الاستیک از حشره حمایت میکند. نیروی کشش سطحی رو به بالا با وزن حشره مقابله کرده و اجازهٔ حرکت روی آب را میدهد.
- اثر نیلوفر آبی[7]: برگهای نیلوفر آبی به دلیل ساختار میکروسکوپی خاص و پوشش مومی، بسیار آبگریز هستند. کشش سطحی آب باعث میشود قطرهها روی برگ جمع شده و مانند مروارید بغلتند و ضمن حرکت، آلودگیها را نیز با خود میبرند.
- شکل گرفتن قطرهٔ شبنم: بخار آب موجود در هوا هنگام شب روی تار عنکبوت یا برگ گیاهان متراکم میشود. کشش سطحی است که این آب را مجبور میکند بهجای پخش شدن، به زیباترین شکل ممکن، یعنی کرههای درخشان شبنم تبدیل شود.
در فناوری و زندگی روزمره:
- ساخت صابون و شویندهها: مواد فعال سطحی[5] موجود در صابون کشش سطحی آب را کاهش میدهند و اجازه میدهند آب بهتر با چربی و کثیفی مخلوط شود و آنها را از بین ببرد. این همان دلیلی است که آب خالی نمیتواند چربی را پاک کند.
- شناوری سوزن و تیغ: اگر با احتیاط یک سوزن یا تیغ ریشتراشی را روی سطح آب بگذارید، میتواند شناور بماند. این اتفاق زمانی میافتد که وزن جسم توسط نیروی کشش سطحی در اطراف محل تماس تحمل شود. این یک آزمایش کلاسیک برای نمایش قدرت کشش سطحی است.
- چاپ جوهرافشان: در چاپگرها، کشش سطحی به کنترل شکل و اندازهٔ قطرات ریز جوهر کمک میکند تا با دقت بسیار بالا روی کاغذ قرار گیرند.
- علم نانو و پزشکی: در مقیاس نانو، کشش سطحی نیروی غالب است و بر رفتار مایعات در کانالهای بسیار ریز (میکروسیال) تأثیر میگذارد. این موضوع در ساخت دستگاههای آزمایشگاهی روی یک تراشه و روشهای دارورسانی هدفمند اهمیت زیادی دارد.
آزمایشهای ساده و کمهزینه برای درک بهتر مفهوم
برای درک عینی کشش سطحی، هیچچیز جای یک آزمایش ساده را نمیگیرد. اینجا دو آزمایش امن و جذاب معرفی میشود:
آزمایش ۱: پر کردن لیوان بیش از ظرفیت
یک لیوان شیشهای تمیز را زیر شیر آب قرار دهید و آن را بهآرامی پر کنید. وقتی آب به لبه رسید، با دقت بیشتری به پر کردن ادامه دهید. خواهید دید که سطح آب میتواند کمی بالاتر از لبهٔ لیوان برآمده شود و نریزد. این برآمدگی به دلیل کشش سطحی است که مانند یک پوستۀ نازک، آب را نگه میدارد. اضافه کردن حتی یک قطرهٔ دیگر میتواند این لایه را پاره کند و آب سرریز شود.
آزمایش ۲: شناور کردن گیرهٔ کاغذ
یک کاسه را پر از آب کنید. یک گیرهٔ کاغذ فلزی صاف را با یک انبرک یا چنگال خمیده بهآرامی و به صورت افقی روی سطح آب قرار دهید. اگر به اندازهٔ کافی آرام باشید، گیره شناور میماند. حالا یک قطره مایع ظرفشویی را در نقطهای دور از گیره، به آب اضافه کنید. بلافاصله خواهید دید که گیره غرق میشود! زیرا مایع ظرفشویی (یک مادهٔ فعال سطحی[5]) کشش سطحی آب را در همه جای کاسه کاهش داده و دیگر نمیتواند وزن گیره را تحمل کند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. همهٔ مایعات کشش سطحی دارند، اما مقدار آن متفاوت است. برای مثال، کشش سطحی الکل و بنزین بسیار کمتر از آب است، در حالی که کشش سطحی جیوه تقریباً شش برابر بیشتر از آب است.
بله، کاملاً مرتبط است. یک حباب صابون از یک لایهٔ نازک آب محصور بین دو لایه از مولکولهای صابون تشکیل شده است. کشش سطحی در هر دو سطح داخلی و خارجی این لایهٔ آب، سعی میکند مساحت سطح را به حداقل برساند. برای یک حجم هوای محبوس شده، شکلی که کمترین سطح را دارد، کره است. به همین دلیل حبابهای آزاد در هوا همیشه کرویاند.
این دو مفهوم مرتبط اما متفاوت هستند. کشش سطحی خاصیت خود سطح مایع است که میخواهد منقبض شود. در حالی که نیروی مویینگی[8]، نتیجهٔ ترکیب کشش سطحی و نیروهای چسبندگی[2] بین مایع و دیوارهٔ یک لولهٔ باریک (مویرگ) است. نیروی مویینگی باعث بالا رفتن آب در یک لولهٔ شیشهٔ نازک یا جذب آب توسط دستمال کاغذی میشود. کشش سطحی یکی از عوامل ایجادکنندهٔ مویینگی است.
پاورقی
[1] کشش سطحی: Surface Tension
[2] نیروی چسبندگی: Cohesive Force (نیروی جاذبه بین مولکولهای مشابه).
[3] مولکول: Molecule.
[4] پیوند هیدروژنی: Hydrogen Bond (نوعی نیروی جاذبهٔ نسبتاً قوی بین مولکولهای خاص مثل آب).
[5] مواد فعال سطحی: Surfactants (موادی که کشش سطحی را کاهش میدهند).
[6] پاشناگر: Water Strider (حشرهای که روی سطح آب راه میرود).
[7] اثر نیلوفر آبی: Lotus Effect (خاصیت خودتمیزشوندگی سطوح فوقآبگریز).
[8] نیروی مویینگی: Capillary Action.
