تستطيع النملة السير على سطح الماء بسبب ظاهرة التوتر السطحي

تستطيع النملة السير على سطح الماء بسبب ظاهرة التوتر السطحي، فهي تحدث إثر وجود قوة تماسك بين جزيئات المادة السائلة، وهناك عدد من العوامل المتأثرة فيها.

التوتر السطحي هي ظاهرة فيزيائية تحدث إثر وجود قوة تماسك بين جزيئات المادة السائلة، حيث تعطي السوائل صفة الأغشية المتماسكة، وتحدث إثر تعرض الجزيئات الموجودة داخل السائل لقوى الشد من كل الاتجاهات، فتلغي كل منهما الأخرى، أما الجزيئات الموجودة على سطح السائل فتتأثر بالقوى الموجودة في الأسفل والجوانب، مما يجعل السطح مشدوداً للأسفل؛ فيظهر على هيئة غشاء.

وبشكل أدّق فإن الجزيئات الموجودة داخل المادة السائلة المتجانسة تتأثر بما يعرف بقوى التماسك أو قوى الجذب الجزيئية، حيث تُوطد أواصر التماسك بين جزيئات هذه المادة؛ وتكون قيمة هذه القوى أقل من قيمها في الأجسام الصلبة؛ وبناءً على ذلك فإن شكل السائل يأخذ شكل الإناء الذي يوضع فيه، ويسهل عليه ذلك؛ كما تتأثر أيضاً الجزيئات في السائل بقوى التلاصق.

العوامل المؤثرة في التوتر السطحي

• نوع السائل: يتفاوت أثر ظاهرة التوتر السطحي من سائل إلى آخر؛ فمثلاً التوتر السطحي في سائل الزئبق تكون أكبر منها في السائل المائي، لذلك تظهر قطرات الزئبق كأنها أكثر تكوراً من الماء؛ بينما تكون قطرات الكحول أقل تكوراً من الماء.
• درجة الحرارة: تعتبر العلاقة بين ظاهرة التوتر السطحي ودرجة الحرارة علاقة عكسية؛ فكلما ارتفعت درجة الحرارة قلّ التوتر السطحي للسائل.

قيم التوتر السطحي

تتفاوت قيم التوتر السطحي بين عدد من السوائل عند درجات حرارة معينة؛ فمثلاً تصل قيمة التوتر السطحي للماء إلى (20°C 72.86±0.05)، بينما يتخذ البنزين مثلاً قيمة (20°C 28.88)، بينما تصل قيمة التوتر السطحي في الزئبق إلى نحو (20°C 486.5).

تطبيقات على ظاهرة التوتر السطحي

• قدرة الحشرات على السير فوق سطح الماء.

• اتخاذ قطرة الماء للشكل الكروي أو شبه الكروي؛ ويفسر ذلك بأن للسائل قدرة على المحافظة على مستوى الطاقة الأقل على الإطلاق من خلال تضييق مساحة السطح الخارجية، فمثلاً الكرة هي الأقل مساحة بين الأشكال الهندسية، وبالتالي فإن للسائل القدرة على الحفاظ على مستوى الطاقة الأقل.
• نُلاحظ عند سكب كمية من الماء فوق سطح شمعي أو سطح مصنوع من النايلون بأنه لا يتبللّ؛ نظراً لوجود فرق كبير بين قوى التجاذب في جزيء السائل وقوى الالتصاق بين السائل والسطح، وبالتالي ينتشر الماء فوق السطح إثر ارتفاع قيمة قوى التجاذب الموجودة بين الماء لأكثر من تلك الموجودة في السطح.

طرق قياس التوتر السطحي

بحكم اعتبار أن ظاهرة التوتر سطحي ظاهرة فيزيائية؛ فلا بد أن تُقاس بالاعتماد على إحدى الطرق الخاصة بقياس السوائل، وما يتعلق بها من ظواهر؛ فتستخدم خاصية الأنابيب الشعرية capillary tubes، حيث تعتمد على العلاقة الرياضية (t= 1/2dgr (h+1/3r))، حيث يشير h إلى ارتفاع السائل في قلب الأنبوبة الشعرية؛ ويرمز r إلى نصف قطر الأنبوبة؛ أما t فهي التوتر السطحي للسائل المستخدم؛ بينما يرمز d إلى كثافة السائل، أما g فهي عجلة الجاذبية الأرضية.

تفسير ظاهرة التوتر السطحي

يمكن تفسير ظاهرة التوتر السطحي بناءً على قواعد النظرية الجزئية، حيث يحدث التوتر السطحي للسوائل نتيجةً للتجاذب الحاصل بين جزيئاته بواسطة التغيرات الحاصلة في قوى الجزيئات الداخلية، ففي غالبية السوائل تتأثر الجزيئات الموجودة داخل السائل بقوة جذب متساوية من كافة الجهات، والتي تنتج من جزيئات السائل المجاورة لها، وبذلك تكون محصلة القوى المؤثرة على كل جزيء داخل السائل تساوي صفراً.

أما الجزيئات الموجودة عند سطح السائل فتتأثر بقوة سحب من الجزيئات الموجودة داخل السائل، وعليه تكون محصلة القوى المؤثرة على الجزيئات الموجودة عند سطح السائل غير متزنة، وذلك بسبب وقوع نصفها العلوي خارج السائل، وتأثرها بقوة جذب أقل من تلك التي تتأثر بها الجزيئات الموجودة داخل السائل، وكلما اقتربت الجزيئات من سطح السائل تزيد حالة انعدام الاتزان لديها، وتصل هذه الحالة إلى قيمتها القصوى عند الجزيئات الموجودة على سطح السائل، وبناءً على ذلك فإن الجزيئات لموجودة عند سطح السائل تخضع لقوى جذب عالية نحو الداخل، وتتسبب هذه القوى في تقلص سطح السائل، مما يؤدي إلى نقصان مساحته، وتعرف هذه القوى باسم قوى التوتر السطحي.

طريقة زيادة سطح السائل

لزيادة سطح السائل يجب بذل شغل على سطح السائل للسماح لبعض الجزيئات الموجودة داخل السائل بالتحرك من داخله نحو سطحه، وسيؤثر هذا الشغل المبذول على قوى الجذب التي تسحب الجزيئات الموجودة عند سطح السائل نحو الداخل؛ أي قوى التوتر السطحي، ونستنج من ذلك أن الجزء العلوي من الجزيئات الموجودة عند سطح السائل تمتلك طاقة وضع بالإضافة إلى تلك الخاصة بالجزء الواقع تحت السائل منها، أي أن طاقة الجزيئات الموجودة عند سطح السائل أكبر من طاقة الجزيئات الموجودة داخل السائل، وتعرف طاقتها باسم الطاقة السطحية.

العلاقة بين التوتر السطحي ودرجات الحرارة

تؤثر الاختلافات في درجات الحرارة على التوتر السطحي، حيث يقل التوتر السطحي مع الارتفاعات الحادثة في درجة الحرارة، ويعود سبب ذلك إلى إضعاف قوى الجذب المتبادلة بين جزيئات السائل مع ارتفاع درجات الحرارة.

الاجابة الصحيحة:

العبار صائبة