فهم التوتر السطحي
التوتر السطحي (بالإنجليزية: Surface Tension) يعد من الخصائص الهامة التي تتمتع بها أسطح السوائل، حيث يمنح هذا المفهوم السوائل القدرة على مقاومة القوى الخارجية. ويعود ذلك إلى قوى التماسك والتلاصق بين جزيئات السائل، مما يجعل الماء يتصرف كغشاء مرن متماسك. ويختلف مستوى التوتر السطحي من مادة لأخرى، إذ تتمتع السوائل العضوية كالبنزين والكحول بتوتر سطحي منخفض، في حين أن الزئبق يتمتع بتوتر سطحي أعلى. كما أن ارتفاع درجات الحرارة يؤدي إلى تقليل جذب الجزيئات لبعضها البعض، مما يساهم في تقليل التوتر السطحي.
أمثلة وتطبيقات لظاهرة التوتر السطحي
تتوفر العديد من التطبيقات والأمثلة التي تتعلق بخاصية التوتر السطحي للماء، ومن أبرز تلك التطبيقات ما يلي:
استخدام الماء الساخن في الغسيل
يُعتبر استخدام الماء الساخن في عمليات الغسيل ناتجًا عن انخفاض التوتر السطحي في هذا النوع من الماء، مما يجعله الخيار الأفضل بالمقارنة مع الماء البارد. ومن الجدير بالذكر أنه عند استخدام منظفات تقلل من التوتر السطحي، يمكن الاستغناء عن تسخين الماء واستخدام الماء البارد بدلاً منه.
صناعة الخيام
تم تصميم الخيام من مواد مقاومة للماء لتوفر حماية أثناء فصول الشتاء. ومع ذلك، يتأثر التوتر السطحي للماء بملامسة الخيمة للأشياء، مما يؤدي إلى انسداد المسام في الأنسجة، وبالتالي يمكن أن تسرب الماء عند تساقط الأمطار.
استخدام الصابون والمنظفات
تعمل المنظفات مثل الصابون على تسهيل عمليات التنظيف، بما في ذلك غسل الملابس، من خلال تقليل التوتر السطحي للماء، مما يسمح له بالتغلغل في الأقمشة وإزالة الأوساخ بكفاءة أكبر.
تحدب أو تقعر السوائل في الأنبوب
عند احتجاز الماء في أنبوب، يظهر سطحه بشكل مقعر نتيجة لخصائصه المبللة، بينما يظهر السطح الزئبقي بشكل محدب بسبب قوى التماسك التي تسحب السائل لأعلى.
تكوين فقاعات مستديرة
يوفر التوتر السطحي للماء القوة اللازمة لتشكيل الفقاعات بشكل كروي، حيث يسعى الماء إلى تقليص قوى التوتر السطحي، مما يؤدي إلى تشكيل فقاعات كروية.
تطبيقات إضافية
توجد العديد من التطبيقات الأخرى المرتبطة بخاصية التوتر السطحي، ومنها:
- مشي الحشرات على الماء
تستطيع الحشرات الصغيرة ذات الوزن الخفيف المشي على سطح الماء، وذلك لأن وزنها لا يكفي لاختراق هذا السطح.
- طفو الإبرة
يمكن استغلال خاصية التوتر السطحي عن طريق وضع إبرة صغيرة بعناية على سطح الماء لتطفو. وعلى الرغم من أن كثافتها مشابهة لكثافة الماء، إلا أنها تغرق إذا ما تم تحريكها بسرعة.
- وجود الماء على شكل قطرات
تتخذ قطرات الماء شكلًا كرويًا بفعل قوى التماسك في الطبقة السطحية، حيث إن التوتر السطحي هو المسؤول عن شكل هذه القطرات رغم إمكانية تشوهها أحيانًا.
- الفحص الطبي للبول في حالات اليرقان
يظهر أنه عند الإصابة باليرقان، ينخفض التوتر السطحي لبول الشخص المصاب بنحو 55 داين/سم عن التوتر السطحي للبول الطبيعي.
- المطهرات
تمتاز المطهرات بتوتر سطحي منخفض جداً، مما يتيح لها اختراق جدران الخلايا البكتيرية للقضاء عليها.
- الخاصية الشعرية
تعتبر هذه الخاصية هي صعود السائل داخل أنبوب ذو قطر صغير، إذ يتمكن الماء من التسلل داخل الأنبوب الدقيق بفعل قوى التلاصق بين السائل وجدران الأنبوب الداخلية.