التوتر السطحي
تُعتبر ظاهرة التوتر السطحي من الظواهر الفيزيائية الناتجة عن قوى التماسك بين جزيئات المادة السائلة. إذ تعطي هذه الظاهرة السوائل خاصية الغشاء المتماسك. ويحدث التوتر السطحي نتيجة تعرض الجزيئات داخل السائل لقوى الشد من جهات متعددة، مما يجعل هذه القوى تلغي بعضها. بينما تتأثر الجزيئات الموجودة على سطح السائل بالقوى الموجودة في الأسفل والجوانب، مما يؤدي إلى شد السطح نحو الأسفل، ويظهر كغشاء.
بصورة أكثر دقة، فإن الجزيئات داخل المادة السائلة المتجانسة تتأثر بقوى التماسك، أو ما يُعرف بقوى الجذب الجزيئية، التي تعزز الروابط بين الجزيئات. وتكون قيمة هذه القوى أقل مما هو عليه في الأجسام الصلبة؛ لذلك فإن شكل السائل يتخذ شكل الإناء الذي يحتويه، مما يسهل انسياب السائل. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر جزيئات السائل بقوى التلاصق.
العوامل المؤثرة في التوتر السطحي
- نوع السائل: تختلف تأثيرات التوتر السطحي من سائل لآخر؛ على سبيل المثال، فإن التوتر السطحي في الزئبق أعلى من ذلك في الماء، مما يؤدي إلى تكور قطرات الزئبق بشكل أكبر. بينما تكون قطرات الكحول أقل تكوراً مقارنة بالماء.
- درجة الحرارة: توجد علاقة عكسية بين ظاهرة التوتر السطحي ودرجة الحرارة؛ فكلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفض التوتر السطحي للسائل.
قيم التوتر السطحي
تتباين قيم التوتر السطحي بين مجموعة من السوائل عند درجات حرارة محددة. على سبيل المثال، تصل قيمة التوتر السطحي للماء عند درجة حرارة (20°C) إلى حوالي (72.86±0.05) دين/م، بينما يصل البنزين إلى (28.88) دين/م. أما الزئبق، فتُعتبر قيمته الأعلى بحوالي (486.5) دين/م عند نفس درجة الحرارة.
تطبيقات ظاهرة التوتر السطحي
- تمكن الحشرات من المشي على سطح الماء.
- تكوين قطرة الماء للشكل الكروي أو شبه الكروي؛ حيث يفسر ذلك أن السائل يسعى للحفاظ على أدنى مستوى للطاقة من خلال تقليل مساحة السطح، إذ تعتبر الكرة هي الشكل الهندسي الأقل مساحة.
- عند سكب الماء على سطح شمعي أو مصنوع من النايلون، نلاحظ عدم تبلل السطح؛ وذلك بسبب الفجوة الكبيرة بين قوى تجاذب جزيئات السائل وقوى الالتصاق مع السطح، مما يؤدي إلى انتشار الماء على السطح بفعل قوى التجاذب العالية بين جزيئات الماء.
طرق قياس التوتر السطحي
بما أن التوتر السطحي يعد ظاهرة فيزيائية، فيجب قياسه باستخدام طرق خاصة تناسب قياس السوائل والظواهر المرتبطة بها. ومن بين هذه الطرق تستخدم خاصية الأنابيب الشعرية (Capillary Tubes)، حيث تعتمد على المعادلة الرياضية التالية: (t = 1/2dgr (h + 1/3r))، حيث h تمثل ارتفاع السائل في الأنبوبة الشعرية، و r يُشير إلى نصف قطر الأنبوبة. بينما t هي قيمة التوتر السطحي للسائل، و d تعبر عن كثافة السائل، و g هي تسارع الجاذبية الأرضية.