التوتر السطحي هو ظاهرة يُمكن أن نلاحظها في حياتنا اليومية، ويُمثل رمزه في الفيزياء حرف الـ (T)، والتوتر السطحي هو ببساطة غطاء غير مرئي يكون فوق الأسطح المائية، ويمكن أن تقف عليه الحشرات بسهولة، وذلك ينتج بسبب قوى التماسك بين جزيئاته، وسنعرض في هذا المقال في موقع موسوعة بشكل تفصيلي كيفية حدوث التوتر السطحي وماهيته، كما سنعرض العوامل المؤثرة عليه، وأماكن وجوده وأثره في حياتنا اليومية، وطرق قياسه والمعادلة الحسابية التي تُستخدم في هذا القياس.
ما هو التوتر السطحي
- التوتر السطحي هو أحد الظواهر الطبيعية اليت تم ملاحظتها من جانب العلماء والوصول إلى تعريف لها لدراسة خصائصها، وهو التحرك والتغير الذي يحدث في المواد السائلة، والتي تجعل سطحه يهتز بشكل مرن مثل الورقة، كما انها المسئولة عن جعل المواد المعدنية الصلبة تطفو على سطح الماء ولا تغوص، كما أنه العامل الرئيسي والأساسي لعملية “الخاصية الشعرية”، وهي العملية المسؤولة عن جعل الحشرات يمكنهم وبسهولة الوقوف والحركة على الماء، ولكن إذا كان أثر سائل على سائل أخر يُسمى حينها “التوتر الواجهي”.
- يأخذ السائل شكل الإناء الموضوع فيه، وذلك بسبب قوى الجذب الجزيئية أو قوة التماسك التي لدى الماء، فتتأثر قوى الجذب والتلاصق الخاصة بالخصائص الفيزيائية للأوساط المختلفة سواء سائل أو صلب أو غاز.
- يحدث بسبب الروابط الفيزيائية التي توجد بين الجزيئات والذرات والروابط بينهم، ونجد أن الجزيئات على أي سطح مائي تزداد قوة ترابطها مقارنة بالجزيئات الداخلية الأخرى الموجودة في داخل الإناء.
- تتخذ قطرات ونقط السوائل شكل كروي دقيق، وذلك بسبب توتر السطح الناجم عن قوى الجذب القوية التي تتعرض لها السوائل التي تتواجد على السطح من السوائل التي بالداخل، يحدث تقلص وصغر في سطح السائل، مما يجعله يأخذ مساحة صغيرة مقارنة بحجمه.
- الجزيئات التي تظهر على سطح الإناء تكون أصغر من جزيئات السائل، لأن البعد ما بينهم أكبر من البعد ما بينهم من داخل السائل.
- لجزيئات السطح طاقة كبيرة تفوق جزيئات السائل من الداخل، ولذلك لا يمكن تفكك الروابط بين جزيئاته بسهولة.
العوامل المؤثرة على التوتر السطحي
- نوع السائل: تختلف قيمته من سائل إلى أخر، فهناك توتر سطحي عالي، وهناك توتر سطحي ضعيف، فالحشرة تختار السائل ذو التوتر السطحي العالي لتقف عليه.
- درجة الحرارة: إذا كانت درجة حرارة السائل عالية جدًا، أو تميل للغليان، حينها يفتقد سطح السائل خاصية التوتر، فهناك علاقة عكسية بين درجة الحرارة وتوتر السطح.
أثره على حياتنا اليومية
- الشكل الكروي الذي تتخذه قطرات السوائل، وذلك لأنها تشغل مساحة سطح قليلة.
- إمكانية أن يُبل بعض المواد بنوع مُحدد من السوائل، ولكن نفس السائل لا يُبل مواد أخرى، مثل عدم قدرة الماء على البقاء فوق الأسطح الشمعية، بل تتواجد على هيئة قطرات كروية فقط دون أن تبلله.
- يتم دراسته بشكل دقيق لصنع المظلات والمعاطف التي تُستخدم في الأمطار.
- نجد أن التوتر السطحي للماء عالي للغاية، ولذلك لا يمكن أن نصنع فقاعات من الماء، ولكن إذا ضفنا الصابون للماء يقل التوتر السطحي ومن ثم يمكننا صنع فقاعات الصابون، كما يعمل الصابون على تحقيق التوازن الملائم ويمكننا دمج الزيت بالماء إذا أضفناه.
- وبسبب التوتر السطحي القليل للصابون يُمكنه من إزالة الأوساخ والقاذورات من على الأسطح.
- يمكن أن تسير الحشرات على الماء بسهولة.
قياس التوتر السطحي
يمكنك قياسه عن طريق الأنابيب الشعرية، وذلك بقياس ارتفاع السائل الذي يوجد داخل الأنبوبة، وقياس نصف قطر الأنبوبة، وإيجاد نقطة التوازن عن طريق التعويض في المعادلة الرياضية التالية:
{displaystyle t=1/2dgr(h+1/3r)}.
.T: التوتر السطحي.
D: كثافة السائل.
G: عجلة الجاذبية الأرضية.
H: ارتفاع السائل داخل الأنبوبة.
R: نصف قطر الأنبوبة الشعرية.
يُقاس ب: نيوتن/متر N·m−1.
المصادر: 1، 2، 3، 4، 5.