هناك العديد من الظواهر الفيزيائية التي تحدث في الطبيعة والتي عمل العلماء على تفسيرها منذ القدم، ومن بين هذه الظواهر ظاهرة التوتر السطحي والتي سنتعرف عليها في هذا الموضوع.
كما سنتعرف على العوامل التي تؤثر على التوتر السطحي وكيفية قياسه، وسنقدم بعض تطبيقات هذه الظاهرة الفيزيائية.
التوتر السطحي
التوتر السطحي هو إحدى الظواهر الفيزيائية الناتجة عن قوة التماسك بين جزيئات المواد السائلة مما يعطيها خاصية الغشاء المتماسك.
هو سائل تتعرض فيه الجزيئات الموجودة فيه لتوتر شديد من جميع الجهات حتى يتم تعويض بعضها البعض، ولكن الجزيئات الموجودة على سطح السائل تتأثر بالقوى الموجودة على جانبيها وفي أسفلها.، والذي يسبب التوتر السطحي في الجانب السفلي حتى يظهر كغشاء.
على وجه الخصوص، تتأثر الجزيئات الموجودة في المواد السائلة المختلطة بقوى التماسك أو قوى الجذب المرتبطة بالجزيء، حيث تعزز الجزيئات تماسكها مع المادة.
قيم هذه القوى أقل من قيم الأجسام الصلبة، وبالتالي فإن شكل السائل يأخذ شكل الكوب الذي يوضع فيه، ويسهل عليه القيام بذلك، والسائل وخصائصه. الجزيئات تخضع لتأثير الالتصاق.
الشروط التي يجب توافرها لحدوث التوتر السطحي
العوامل المؤثرة على التوتر السطحي:
-
جودة السوائل
تختلف نتائج ظاهرة التوتر السطحي باختلاف جودة السوائل. على سبيل المثال، التوتر السطحي في السوائل الزئبقية أكبر منه في السوائل المائية. لذلك، تظهر قطرات الزئبق أكثر كثافة من الماء، لكن قطرات الكحول تظهر في القليل من الماء.
-
درجات الحرارة
العلاقة بين التوتر السطحي ودرجة الحرارة متناسبة عكسيًا، تؤدي الزيادة الكبيرة في درجة الحرارة إلى انخفاض التوتر السطحي للسائل.
انظر أيضًا: ما هي الفيزياء وماذا تدرس؟
قيم التوتر السطحي
تختلف قيم التوتر السطحي بين السوائل عند درجة حرارة معينة، على سبيل المثال، ذروة الماء هذه (20 درجة مئوية 72.86 ± 0.05)، لكن قيمة التوتر السطحي للبنزين هي (28.88 درجة مئوية 20)، بينما قيمة التوتر السطحي للزئبق (C 486.5 ° 20).
تطبيقات على ظاهرة التوتر السطحي
هناك العديد من التطبيقات التي تمثل ظاهرة التوتر السطحي، ومن أشهرها ما يلي:
- يمكن للحشرة أن تمر على سطح الماء.
- تأخذ قطرات الماء شكلًا كرويًا وكرويًا، ويمكن تفسير ذلك من خلال حقيقة أن السوائل يمكن أن تحافظ على مستويات طاقة منخفضة تمامًا عن طريق تضييقها إلى مساحة السطح.
- تمتلك الكرة أصغر مساحة سطح مقارنة بالأشكال الهندسية المختلفة، لذلك يمكن للسائل أن يحافظ على مستوى طاقة أقل.
- يمكن ملاحظة أن السطح المصنوع من الشمع أو ما يعرف بالنايلون لا يتبلل عند سكب الماء عليه، وذلك بسبب وجود اختلافات كبيرة بين قوى الجذب في جزيئات السائل وقوى التماسك بين الماء الذي يتم سكبه والسطح.
- لذلك، ينتشر الماء في الجزء العلوي من السطح لأن قيمة قوة الجاذبية عرضة للرفع وتكون موجودة بين الماء أكثر من السطح.
طرق قياس التوتر السطحي
من المعروف أن ظاهرة التوتر السطحي ظاهرة مرتبطة بالفيزياء، وبالتالي فإن قياسها سيعتمد على إحدى طرق قياس السائل والظواهر المرتبطة به.
تعتمد ما يسمى بالأنابيب الشعرية، والمعروفة باللغة الإنجليزية باسم الأنابيب الشعرية، على القانون التالي: (t = 1/2 dgr (h +1/3 r)).
H هو ارتفاع السائل في مركز الأنابيب الشعرية، و R هو نصف قطرها، و t هو التوتر السطحي للسائل المستخدم، و D هو كثافة السائل، و G هو التسارع الناتج عن الجاذبية.
طريقة لزيادة سطح السائل
من أجل التمكن من زيادة سطح السائل، من الضروري بذل جهد على هذا السطح، حتى تتمكن بعض الجزيئات الموجودة فيه من الانتقال من الداخل إلى السطح، وهذا الجهد الذي حدث سيؤثر قوى الجذب المسؤولة عن سحب جزيئاته على طول سطح السائل إلى الداخل ؛ المعروفة باسم قوى التوتر السطحي.
يمكن استنتاج أن الطاقة الكامنة تمتلكها الأجزاء العلوية من الجزيئات الموجودة على سطح السائل وكذلك الأجزاء الموجودة تحت السائل، أي طاقة الجزيئات الموجودة على سطح السائل. كبيرة مقارنة بطاقة الجزيء داخل السائل، وتعرف هذه الطاقة باسم طاقة السطح.
أنظر أيضا: القوانين الأساسية للفيزياء
العلاقة بين التوتر السطحي ودرجة الحرارة
يتأثر التوتر السطحي بالتغيرات في درجة الحرارة، لذلك يقل التوتر السطحي مع زيادة درجة الحرارة، وهذا يحدث نتيجة إضعاف قوى الجذب المتبادل بين جزيئات السائل نتيجة لتأثير درجة الحرارة.
التوتر السطحي في حياتنا اليومية
ستكون قادرًا على فهم مصطلح التوتر السطحي، ومعرفة مواقعه وأمثلة في حياتنا اليومية، ومن أهم مظاهر ظاهرة التوتر السطحي، يمكن تمييز ما يلي:
- تساعد ظاهرة التوتر السطحي على فهم تكوين قطرات الماء السائلة الكروية.
- يتسبب التوتر السطحي في فصل الماء عن أسطح النايلون أو الشمع.
- يستخدم التوتر السطحي في إنتاج المظلات ومعاطف المطر والثلج.
- تفسر ظاهرة التوتر السطحي العديد من الظواهر، وفي مقدمتها ظاهرة تكون الفقاعات التي تتكون من الماء والصابون.
- تساعد ظاهرة التوتر السطحي على تنظيف الملابس بالبقع وإزالتها وتجفيفها جيداً، لأن الصابون يعمل على تقليل هذه الظاهرة من الماء.
- تسمح قوة التماسك للجسيمات للسائل بتكوين أسطح محدبة أو مقعرة اعتمادًا على الحاوية التي تحتوي عليها.
راجع أيضًا: قوانين الفيزياء مع الرموز
التوتر السطحي ومثلث برمودا
يوجد جليد مائي في قاع المحيط، والذي يتكون بسبب تحلل المواد العضوية على مدى آلاف السنين الماضية، وكذلك بسبب تغير المناخ في عصرنا، الناجم عن ما يعرف بالاحترار العالمي.
الأمر الذي أدى إلى ارتفاع درجة الحرارة في قاع هذه المحيطات والبحار، وذوبان الثلوج وإطلاق غاز الميثان على شكل فقاعات تندفع إلى سطح الماء.
كما أنه يرتفع إلى الغلاف الجوي لعدة كيلومترات، كما يحدث عندما نفتح المشروبات الغازية في درجات حرارة عالية، مما يشير إلى أن الهواء لا يستطيع أن يحمل مختلف وسائل النقل الجوي فوق هذه المنطقة.
أدى وجود فقاعات كثيفة من الميثان إلى تقليل التوتر السطحي للمياه في مثلث برمودا، حيث تتحول المياه إلى رغوة، مما يجعلها غير قادرة على تحمل السفن والقوارب، وتغرق بسرعة دون سابق إنذار.
أظهرت العديد من الدراسات التي أعدتها هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أن هناك العديد من الأماكن التي يتم فيها تخزين هيدرات الميثان تحت مياه البحار حول العالم.
وأشار فريق من الخبراء من جامعة القطب الشمالي في النرويج، إلى وجود العديد من الحفر في قاع البحار، والتي تشكلت نتيجة انفجارات كبيرة لفقاعات هذا الغاز، والتي تم تخزينها لمئات السنين. في البحر
وأوضحوا أن قطر هذه الحفرة التي تم اكتشافها يصل إلى خمسمائة متر، وعمق الحفرة قرابة خمسة وأربعين مترا، وأشاروا إلى أن انبعاث غاز الميثان من هذه الحفرة يمكن أن يتسبب في تغير في درجة الحرارة. من مياه المحيطات بعد خلطها بالغاز.
في نهاية الموضوع وبعد أن نتعرف على ظاهرة التوتر السطحي والعوامل التي تؤثر عليها حتى حدوثها أو شروط حدوث التوتر السطحي ومعانيه وتطبيقاته المختلفة.
واستخدامه في الحياة اليومية، وطرق قياسه، وربط التوتر السطحي بمثلث برمودا وما يحدث فيه، عليك فقط مشاركة هذا الموضوع على جميع الشبكات الاجتماعية.