هناك العديد من الظواهر الفيزيائية في الطبيعة، بدأ العلماء في توضيحها منذ القدم، ومن بين هذه الظواهر أيضًا ظاهرة التوتر السطحي، والتي سنتعرف عليها في هذا الموضوع.
سوف نتعرف أيضًا على العوامل التي تؤثر على التوتر السطحي وطرق قياسه، وسوف نقدم بعض التطبيقات لهذه الظاهرة الفيزيائية.
التوتر السطحي
التوتر السطحي هو ظاهرة فيزيائية تحدث نتيجة قوة التماسك بين جزيئات المواد السائلة، مما يعطيها خاصية غشاء متماسك.
هذا السائل الذي تتعرض جزيئاته بداخله لتوتر شديد من جميع الجهات حتى تلغي بعضها البعض، لكن الجزيئات الموجودة على سطح السائل تتأثر بالقوى الموجودة على جانبيها وعلى جانبها السفلي، والتي: يتسبب في سحب السطح إلى الجانب السفلي حتى يظهر كغشاء.
على وجه الخصوص، تتأثر جزيئات المواد السائلة المختلطة بقوى التماسك، أو قوى الجذب المرتبطة بالجزيء، حيث ترتبط الجزيئات بتماسكها مع المادة.
قيم هذه القوى أقل من قيم الأجسام الصلبة، وبالتالي يأخذ السائل شكل الكوب الذي يوضع فيه، ويسهل عليه القيام بذلك، ويخضع السائل وجزيئاته لتأثير الالتصاق.
الشروط التي يجب توافرها لحدوث التوتر السطحي
العوامل التي تؤثر على التوتر السطحي هي:
-
جودة السائل
تختلف نتائج ظاهرة التوتر السطحي باختلاف نوعية السوائل. على سبيل المثال، السوائل الزئبقية لها توتر سطحي أعلى من السوائل المائية. لذلك، تظهر قطرات الزئبق بشكل أكثر كثافة من الماء، ويسقط الكحول كمية أقل 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 درجات حرارة مختلفة، على سبيل المثال، بالنسبة للماء، تكون هذه الذروة (20 درجة مئوية 72.86 ± 0.05)، ولكن قيمة التوتر السطحي للبنزين هي (28.88 درجة مئوية 20)، بينما قيمة التوتر السطحي هي للزئبق (C 486.5 ° 20).
تطبيقات ظاهرة التوتر السطحي
هناك العديد من التطبيقات التي تمثل ظاهرة التوتر السطحي ومن أبرزها:
- يمكن للحشرة أن تمر عبر سطح الماء.
- تأخذ قطرات الماء أشكالًا كروية وكروية، ويمكن تفسير ذلك من خلال حقيقة أن السوائل يمكن أن تحافظ على مستوى طاقة منخفض مطلقًا عن طريق تقييدها على السطح.
- الكرة لديها أصغر مساحة سطح مقارنة بالأشكال الهندسية المختلفة، لذلك يمكن للسائل أن يحافظ على مستوى طاقته المنخفض.
- يمكن ملاحظة أن السطح المصنوع من الشمع أو ما يعرف بالنايلون لا يبلل عندما نسكب عليه الماء وذلك بسبب وجود اختلافات كبيرة بين قوى الجذب وقوى التماسك للجزيئات السائلة. انسكب الماء والسطح.
- لذلك، ينتشر الماء فوق السطح لأن قيمة قوة الجاذبية تتعرض للزيادة وتكون موجودة في الماء أكثر منها على السطح.
طرق قياس التوتر السطحي
من المعروف أن ظاهرة التوتر السطحي هي ظاهرة متعلقة بالفيزياء، وبالتالي فإن قياسها سيعتمد على إحدى طرق قياس السوائل والظواهر المرتبطة بها.
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 قلب الأنابيب الشعرية، و R هو نصف القطر، و t هو التوتر السطحي للسائل المستخدم، و D هو كثافة السائل، و G هو التسارع الناتج عن الجاذبية.
طريقة زيادة سطح السائل
لزيادة سطح السائل، يجب بذل جهد على هذا السطح حتى تتمكن بعض الجزيئات الموجودة بداخله من الانتقال من الداخل إلى السطح، والجهد الذي تم بذله سيؤثر على قوى الجذب المسؤولة. لسحب جزيئاته إلى الداخل على سطح السائل ؛ المعروفة باسم قوى التوتر السطحي.
يمكن استنتاج أن الأجزاء العلوية من الجزيئات الموجودة على سطح السائل لها طاقة كامنة وكذلك الأجزاء الموجودة أسفل السائل، أي أن طاقة الجزيئات الموجودة على سطح السائل كبيرة مقارنةً بطاقة السائل. الجزيئات الموجودة داخل السائل وتعرف هذه الطاقة باسم طاقة السطح.
انظر أيضًا: القوانين الأساسية للفيزياء
العلاقة بين التوتر السطحي ودرجة الحرارة
يتأثر التوتر السطحي بالاختلافات في درجة الحرارة، لذلك ينخفض التوتر السطحي مع زيادة درجة الحرارة، وهذا يحدث نتيجة لإضعاف قوى الجذب المتبادلة بين جزيئات السائل الناتج عن درجة الحرارة.
التوتر السطحي في حياتنا اليومية
ستتمكن من فهم مصطلح التوتر السطحي من خلال معرفة مواقعه وأمثلة في حياتنا اليومية ومن أهم مظاهر ظاهرة التوتر السطحي 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 صناعة المظلات ومعاطف المطر والثلج.
- تفسر ظاهرة التوتر السطحي العديد من الظواهر وخاصة ظاهرة تكون فقاعات من الماء والصابون.
- تساعد ظاهرة التوتر السطحي على تنظيف الملابس بالبقع وإزالتها وتجفيفها جيداً، لأن الصابون يعمل على تقليل هذه الظاهرة من الماء.
- تسمح القوة المشتركة للجسيمات للسوائل بتكوين أسطح إما محدبة أو مقعرة، اعتمادًا على الحاوية الموجودة فيها.
راجع أيضًا: قوانين الفيزياء مع الرموز
التوتر السطحي ومثلث برمودا
جليد هيدرات الميثان عبارة عن كمية كبيرة جدًا من المواد المجمدة في قاع المحيط، وقد تشكلت عن طريق تحلل المواد العضوية المعروفة على مدى آلاف السنين السابقة وتغير المناخ في العصر الحديث. وهو ما يعرف بالاحتباس الحراري.
مما تسبب في ارتفاع درجة الحرارة في قاع هذه المحيطات والبحار، مما أدى إلى إذابة الثلج مع إطلاق غاز الميثان على شكل فقاعات تطفو على سطح الماء.
كما أنه يرتفع في الغلاف الجوي لعدة كيلومترات، كما يحدث عندما نفتح المشروبات الغازية في درجات حرارة عالية، مما يشير إلى أن الهواء غير قادر على نقل مختلف وسائل النقل الجوي فوق هذه المنطقة.
أدى وجود فقاعات كثيفة من غازات الميثان إلى تقليل التوتر السطحي لمياه مثلث برمودا، حيث تتحول المياه إلى رغوة، مما يجعلها غير قادرة على مقاومة السفن والقوارب، وتغرق بسرعة دون سابق إنذار.
أظهرت العديد من الدراسات التي أجرتها المراكز الجيولوجية الأمريكية أن هناك العديد من الأماكن التي يتم فيها تخزين غاز هيدرات الميثان تحت مياه البحار في جميع أنحاء العالم.
أظهرت مجموعة من الخبراء من جامعة القطب الشمالي في النرويج أن هناك العديد من الحفر في قاع البحار، بسبب الانفجارات الكبيرة لكرات الفقاعات الغازية التي تراكمت على مدى القرون الماضية. في البحر
وأوضحوا أن قطر هذه الحفرة المكتشفة يبلغ خمسمائة متر وعمقها حوالي خمسة وأربعين مترا، وذكروا أن انبعاث غاز الميثان من هذه الحفرة يمكن أن يتسبب في تغير في درجة الحرارة. ارتفاع مياه المحيطات بعد اختلاطها بالغاز.
في نهاية الموضوع وبعد أن نتعرف على ظاهرة التوتر السطحي والعوامل التي أثرت عليها قبل حدوثها أو شروط حدوث التوتر السطحي وقيمه وتطبيقاته المختلفة.
واستخدامه في الحياة اليومية، وطرق قياسه، وربط التوتر السطحي بمثلث برمودا وما يحدث فيه، ما عليك سوى مشاركة هذا الموضوع على جميع وسائل التواصل الاجتماعي.