مویینگى: بالا یا پایین رفتن سیال در لوله مویین

مویینگی¹: بالا یا پایین رفتن سیال در لوله‌های باریک

مویینگی چیست و چگونه رخ می‌دهد؟

تصور کنید یک لوله شیشه‌ای بسیار نازک (مثلاً به قطر مو) را به صورت عمودی در یک لیوان آب فرو ببرید. خواهید دید که سطح آب داخل این لوله، بالاتر از سطح آب داخل لیوان قرار می‌گیرد. به این پدیده، بالا رفتن مویینه‌ای می‌گویند. در مقابل، اگر همین آزمایش را با جیوه انجام دهید، سطح جیوه داخل لوله پایین‌تر از سطح خارجی خواهد بود که نشان‌دهنده پایین رفتن مویینه‌ای است.

این حرکت جادویی سیال، نتیجه رقابت دو نیروی مولکولی است:

وقتی نیروی چسبش قوی‌تر از چسبندگی باشد (مثل آب و شیشه)، مولکول‌های آب به دیواره می‌چسبند و آن را تر می‌کنند. این چسبندگی، مولکول‌های دیگر را به سمت بالا می‌کشاند و آب در لوله بالا می‌رود. وقتی نیروی چسبندگی قوی‌تر باشد (مثل جیوه و شیشه)، مولکول‌های جیوه ترجیح می‌دهند کنار هم بمانند و از دیواره فاصله بگیرند (تر نمی‌کنند)، در نتیجه سطح جیوه در لوله پایین‌تر می‌رود.

عوامل مؤثر بر ارتفاع مویینگی: فرمول جادویی

ارتفاع صعود یا نزول سیال در یک لوله مویین به عوامل مشخصی بستگی دارد. دانشمندان فرمولی برای محاسبه این ارتفاع ارائه داده‌اند:

این فرمول چه می‌گوید؟

• لوله باریک‌تر، صعود بالاتر: همانطور که در فرمول دیده می‌شود، ارتفاع $h$ با شعاع لوله $r$ رابطه معکوس دارد. یعنی هرچه لوله باریک‌تر باشد، سیال بیشتر بالا یا پایین می‌رود. اگر قطر لوله دو برابر شود، ارتفاع مویینگی نصف می‌شود.
• نقش زاویه تماس:$\cos\theta$ در صورت کسر است. برای آب روی شیشه که زاویه تماس کوچک است، $\cos\theta$ مثبت و نزدیک به ۱ است، پس $h$ مثبت و آب بالا می‌رود. برای جیوه روی شیشه که زاویه تماس بزرگ است (بیش از 90°)، $\cos\theta$ منفی می‌شود و $h$ نیز منفی می‌شود که نشان‌دهنده پایین رفتن سطح است.
• چگالی و کشش سطحی: سیالی با کشش سطحی بیشتر و چگالی کمتر، پتانسیل بیشتری برای بالا رفتن در لوله مویین دارد.

مویینگی در خدمت زندگی: از ریشه گیاهان تا نوک خودکار

این پدیده تنها یک آزمایش آزمایشگاهی نیست، بلکه یکی از نیروهای نامرئی و حیاتی در طبیعت و فناوری است.

مثال ۱: نوشیدن آب توسط درختان بلند چگونه آب از ریشه‌های یک درخت بلند مانند سکویا به برگ‌هایش در ارتفاع چند ده متری می‌رسد؟ بخش بزرگی از این کار توسط لوله‌های مویین آوند چوبی (بافت هادی آب) در ساقه و ریشه انجام می‌شود. این لوله‌ها به قدری باریک هستند که نیروی مویینگی به کمک نیروی مکش ناشی از تعرق برگ‌ها، آب را تا بالا می‌کشاند. بدون این پدیده، حیات بسیاری از گیاهان غیرممکن بود.

مثال ۲: عملکرد فتیله و خودکار اگر نوک یک حوله کاغذی را در یک لیوان آب قرار دهید، پس از مدتی تمام حوله خیس می‌شود. این همان اصل کار فتیله چراغ‌های روغنی است. روغن از طریق فتیله (شبکه‌ای از رشته‌های باریک) بالا کشیده شده و در مجاورت هوا می‌سوزد. در خودکارهای روان‌نویس نیز جوهر از طریق یک مجرای بسیار باریک و متخلخل به نوک خودکار منتقل می‌شود.

مثال ۳: جذب مایعات توسط اسفنج و خاک زمانی که آب را روی خاک خشک می‌ریزید، به سرعت جذب می‌شود. این جذب، حاصل حرکت مویینه‌ای آب در فضای‌های ریز بین ذرات خاک است. اسفنج حمام نیز به لطه شبکه‌ای از حفره‌های مویین، آب را به خود جذب می‌کند. در مقابل، خاک‌های با ذرات درشت (مثل شن) که فضای بین ذراتشان بزرگ است، قدرت مویینگی کمتری دارند و آب را کمتر نگه می‌دارند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ مویینگی (Capillarity): از کلمه لاتین capillus به معنای مو گرفته شده است، زیرا این پدیده در لوله‌هایی به نازکی مو به بهترین شکل مشاهده می‌شود.

² چسبش (Adhesion): نیروی جاذبه بین مولکول‌های دو ماده غیرمشابه (مانند آب و شیشه).

³ چسبندگی (Cohesion): نیروی جاذبه بین مولکول‌های یک ماده مشابه (مانند مولکول‌های آب با یکدیگر).

⁴ کشش سطحی (Surface Tension): خاصیتی از سطح مایع که باعث می‌شود مانند یک لایه کشسان رفتار کند. حاصل نیروی چسبندگی است.

⁵ زاویه تماس (Contact Angle $\theta$): زاویه‌ای که سطح مایع در محل برخورد با دیواره جامد می‌سازد. معیاری برای سنجش ترشوندگی است.