آزمایش کشش سطحی آب با اجسام

کشش سطحی، خاصیت جذابی است که در مایعات یافت می‌شود و باعث می‌شود لایه‌های بیرونی مایع به شکل ورقه‌ای کشسان جذب یکدیگر شوند. این خاصیت فوق‌العاده باعث می‌شود دو سطح مایع به هم نزدیک شوند، همانند دو قطره آب که به هم چسبیده و قطره‌ای بزرگتر را تشکیل می‌دهند.
در این آزمایش از سایت روبویونیک می‌خواهیم اثر کشش سطحی آب را با شما به اشتراک بگذاریم. با قرار دادن اشیاء کوچک مثل سنجاق یا گیره کاغذ بر روی آب، می‌توانید به زیبایی و جذابیت این پدیده عجیب پی ببرید، پس تا انتها همراه ما بمانید تا نحوه آزمایش کشش سطح آب با اجسام را توضیح دهیم.

مواد لازم برای انجام آزمایش کشش سطحی آب

• یک عدد سنجاق کوچک یا گیره کاغذ
• ظرف آب
• صابون مایع دستشویی یا ظرفشویی

مراحل انجام آزمایش کشش سطحی آب

1- بعد از آماده کردن وسایل مورد نیاز، در قدم اول لازم است که ظرف را پر از آب کنید.

2- در مرحله دوم سنجاق یا گیره کاغذی که از قبل آماده کرده‌اید را خیلی آرام روی ظرف آب قرار دهید.

3- حال مشاهده خواهید کرد که گیره یا سنجاق روی آب شناور می‌ماند.

4- در آخر کمی مایع ظرفشویی یا دستشویی به آب اضافه کرده و گیره را دوباره روی آب قرار دهید، آنگاه نتیجه نهایی را خواهید دید.

نتیجه آزمایش کشش سطحی آب با اجسام

وقتی یک سنجاق یا گیره کاغذ را به آرامی روی سطح آب قرار می‌دهیم، نیروهای هم‌چسبی باعث می‌شوند مولکول‌های سطح آب، نیروی وزن این اشیاء را تحمل کنند و آنها را بالا آب نگه دارند.
هنگامی که مایع صابون یا ظرفشویی به آب اضافه می‌شود، پس از مدتی، نیروهای هم‌چسبی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابند. به طوری که کشش سطحی قادر به تحمل وزن گیره یا سنجاق نیست و اشیاء به آرامی در آب فرو می‌روند.

پرسش :

1. اگر آزمایش را در آب جوش انجام دهیم چه اتفاقی رخ خواهد داد؟

پاسخ :

1. در آب جوش به دلیل افزایش انرژی درونی مولکول های آب و در نتیجه افزایش انرژی جنبشی آنها شناور کردن گیره روی آب مشکل تر میباشد.

دلیل ایجاد شدن کشش سطحی

همانگونه که شما می‌دانید، نیروهای بین ذراتی مانند نیروهای “واندروالسی”، ذرات مایع را به هم چسبانده و نزدیک یکدیگر نگه می‌دارند. همچنین، ذرات سطحی سیال به سمت سایر ذرات جذب می‌شوند و این امر باعث حرکت آنها به سمت یکدیگر می‌شود. هنگامی که یک مولکول درون مایع قرار دارد، نیروهای بین مولکولی از همه سو به آن فشار می‌آورند و در نتیجه نیروهای وارد بر آن صفر می‌شود. اما وقتی مولکول در سطح قرار دارد، نیروهای بین مولکولی از زیر و کناره‌ها به آن فشار می‌آورند و نیروی خالص به سمت پایین به آن فشار وارد می‌کنند.

نمایش کشش سطحی با نماد یونانی گاما (γ) انجام می‌شود و به شکل ریاضی معادل نسبت نیروی سطحی (F) به طولی (d) است که نیرو به آن اعمال می‌شود. اگر آب در یک استوانه قرار بگیرد، محیط استوانه به عنوان یک فضای بسته در نظر گرفته می‌شود که تحت تأثیر کشش سطحی قرار دارد.

واحد کشش سطحی در سیستم SI با نیوتن بر متر (N/m) و در CGS با dyn/cm نمایش داده می‌شود. به علاوه، برای بررسی ترمودینامیکی پدیده کشش سطحی، می‌توان این پدیده را به صورت کار بر واحد سطح نیز محاسبه کرد. در این حالت، واحد کشش سطحی در سیستم SI با J/m2 معادل خواهد بود.
نیروی کشش سطحی باعث اتصال ذرات به یکدیگر روی سطح می‌شود، اما از آنجایی که این نیرو ضعیف است، به راحتی می‌توان آن را شکست و وارد مایع شد.

بررسی تفاوت در پاک‌کنندگی آب گرم و سرد

دمای 25 درجه سانتیگراد، کشش سطحی آب را به مقدار 72dynes/cm تعیین می‌کند. این عدد نشان می‌دهد که برای شکستن سطح آب به طول یک سانتیمتر، نیاز به 72dynes نیرو داریم. اما باید به یاد داشته باشیم که با افزایش دما، کشش سطحی آب کاهش می‌یابد.

در واقع، کشش سطحی ناشی از قطبی بودن مولکول‌های آب است. از زوایای مختلف می‌توان به این موضوع پرداخت، به عنوان مثال، آب گرم دارای کشش سطحی کمتری است، از این رو سطح آن به راحتی شکسته می‌شود و به آسانی به حفره‌ها نفوذ می‌کند. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که آب گرم خاصیت پاک‌کنندگی بیشتری نسبت به آب سرد دارد.

همانطور که در بالا برای آب گرم توضیح داده شد، برای مواد شوینده مثل صابون نیز این خاصیت صحیح است. این مواد با کاهش کشش سطحی آب، خواص تمیزکنندگی سطح را افزایش می‌دهند و در نتیجه، محلول به راحتی در حفره‌ها نفوذ می‌کند. بنابراین، توان پاک کنندگی آنها افزایش می‌یابد.

مثال هایی از کشش سطحی آب

در این قسمت، مثال‌های جذابی از طبیعت را بررسی می‌کنیم که کشش سطحی نقش اساسی در آن‌ها ایفا می‌کند. بسیاری از موجودات در طبیعت برای بقا از این پدیده استفاده می‌کنند. علاوه بر این، پدیده‌های فیزیکی مختلفی وجود دارند که اصلی‌ترین عامل آن‌ها کشش سطحی می‌باشد. در آزمایشگاه نیز می‌توان به وسیله آزمایش‌های تجربی متنوع از این پدیده استفاده کرد. در این قسمت قصد داریم به بررسی این نوع از پدیده‌ها بپردازیم.

راه رفتن حشرات روی آب

بسیاری از حشرات با پاهایی که به طور یکنواخت وزن خود را توزیع می‌کنند، می‌توانند روی آب حرکت کنند. این پاها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که حشره بدون نیاز به شکستن سطح مایع، می‌تواند روی آب حرکت کند. این ویژگی جالب کشش سطحی آب را نشان می‌دهد.

قطرات آب

وقتی از یک قطره چکان برای ساخت قطرات آب استفاده می‌کنیم، آب به صورت پیوسته جریان پیدا نمی‌کند، بلکه به صورت یک دسته قطره شروع به حرکت می‌کند. شکل این قطرات توسط کشش سطحی آب تعیین می‌شود.

توجه فرمایید که کشش سطحی به صورت یکسان در تمام جهات بر روی قطره اثر می‌گذارد و باعث می‌شود شکل آن به صورت یک کره تغییر یابد. اما در واقعیت، قطره‌ها به شکل اشکی دیده می‌شوند، دلیل آن وجود نیروی گرانش است. این نیرو باعث کشش قطره به سمت پایین و انحراف آن از شکل کروی می‌شود.

هنگامی که گرانش حضور ندارد، نیروی کشش سطحی به حداقل می‌رسد و باعث کاهش سطح قطره می‌شود. کاهش سطح منجر به کاهش نیروی کشش سطحی می‌شود. از طرف دیگر، در ریاضی نشان داده شده است که هنگامی که یک حجم ثابت از یک جسم داریم، شکل آن به شکل یک کره مینیمم تغییر می‌کند و سطح آن بین تمام سطوح ممکن تعیین می‌شود. به همین دلیل، قطره به شکل یک کره تبدیل می‌شود.

قرار گرفتن سوزن روی آب

همانطور که می‌دانید، سوزن یک جسم فلزی است که چگالی بیشتری نسبت به آب دارد. اما اگر سطح آب نشکند، نیروهای سطحی آب می‌توانند وزن سوزن را تحمل کنند. برای انجام این آزمایش نیاز به تمرکز بالا است. همانطور که در قسمت بالای این مطلب در بخش آزمایش اشاره کرده‌ایم، اضافه کردن صابون به آب می‌تواند کشش سطحی را کاهش داده و باعث فرو رفتن سوزن به داخل آب شود.

استفاده از ویژگی کشش سطحی آب در صنایع مختلف

تأثیرات کشش سطحی در حوزه‌های گوناگون بسیار حائز اهمیت است و می‌توان از آن به عنوان یک عامل مؤثر در تولیدات صنعتی استفاده نمود. در قسمت قبل، به طور مفصل برخی از مثال‌هایی که نشان دهنده وجود کشش سطحی بودند را بررسی کردیم. این بخش، کاربردهای صنعتی این پدیده را بررسی می‌کند.

استفاده از کشش سطحی در صنایع شیمیایی

یکی از صنایع مهم که به نحوی بیشترین مزیت از پدیده کشش سطحی کسب می‌کند، صنایع شیمیایی هستند. در واقع، این پدیده در صنایع شیمیایی مختلف مانند تولید رنگ‌ها و مواد نقاشی مانند جوهر و رنگ‌ها به‌کار می‌رود. به علاوه، از این پدیده در تهیه حشره‌کش‌ها نیز بهره می‌برند.

استفاده از کشش سطحی در لوازم آرایشی و بهداشتی

اصطلاح “کشش سطحی” یکی از مفاهیمی است که در صنعت آرایشی و بهداشتی بسیار مهم است. از این پدیده برای ایجاد ریمل‌ها و افزایش پخش شدن کرم‌ها استفاده می‌شود. همچنین برخی از محصولات تمیز کننده‌ی خشک شونده نیز از این اصطلاح برای بهبود عملکرد خود بهره می‌برند.

همانطور که اشاره شد، وقوع پدیده کشش سطحی در مایعاتی رخ می‌دهد که با یک گاز مانند هوا در تماس قرار دارند. جالب اینجا است که نیروهای مولکولی در سطح مایع تنها به سمت پایین جذب می‌شوند و این نیروها، ایجاد کننده کشش سطحی هستند.

استفاده از کشش سطحی در صنایع مکانیکی

اثر کشش سطحی در صنعت خودروسازی نیز به نحو گسترده‌ای به کار می‌رود. در بخشی از این صنعت، سطح قبل از رنگ آماده می‌شود و در بخش دیگر، شیشه‌های خودرو به گونه‌ای طراحی می‌شوند که از خیس شدن زیاد جلوگیری شود. به عبارت دیگر، از کاربردهای اساسی کشش سطحی در سطوح آبگریز و علم مکانیک استفاده می‌شود.

یک نکته جالب که باید به آن اشاره کنیم، این است که کشش سطحی می‌تواند در بهبود عملکرد تایرهای خودروها نقش مهمی ایفا کند. به لطف این پدیده، تایرهای خودروها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که در هر شرایطی، از جمله رانندگی در برف و باران، بتوانند چسبندگی مناسبی داشته باشند.

استفاده از این پدیده در صنایع مختلف از جمله توربوماشین‌ها و ساخت پمپ‌ها و توربین‌های جدید بسیار رایج است. این ترکیب بین کشش سطحی و دانش آیرودینامیک، به طراحی بهتر خودروها، هواپیماها و توربین‌های باد کمک بسیار زیادی می‌کند.

استفاده از کشش سطحی در صنعت ساختمان سازی

کشش سطحی، یک پدیده مهم در علوم مختلف است که در صنایع مختلفی از جمله صنایع ساختمانی، تولید بتن‌های ضد آب، حفاظت از ساختمان‌های تاریخی و ساخت پلاستیک‌های گلخانه ای استفاده می‌شود.

استفاده از کشش سطحی در صنایع غذایی

یکی از کاربردهای جذاب کشش سطحی، استفاده از آن در صنایع غذایی است. به عنوان یک نمونه، می‌توان از این پدیده برای مخلوط کردن پودر کاکائو و شیر استفاده نمود.

در ابتدای این مطلب نحوه آزمایش کشش سطحی آب با اجسام را بررسی کردیم و سپس مفهوم آن را برای شما بیان کرده ایم، در ادامه نیز ویژگی های مهم کشش سطحی در صنایع مختلف را مورد بررسی قرار داده‌ایم.