ካፒታልሪቲ

ሻማ አይተህ ታውቃለህ? እንደምትጠቀምበት ተስፋ አደርጋለሁ። ሻማ ሲቃጠል የምናየው አንድ አስደሳች ክስተት። የሚነድ ሻማ ክር ግርጌ ብዙውን ጊዜ በቀለጠ ሰም (በክሩ ላይ) እርጥብ ነው። በክሩ ላይ የቀለጠ ሰም መኖሩ ሻማው ለረጅም ጊዜ ሊቃጠል ይችላል ማለት ነው። የቀለጠው ሰም ወደ ላይ ወደ ላይ ወደ ላይ ወደ ላይ ወደ ላይ የሚሄደው ወደ ሻማ ክር እንዲንቀሳቀስ የሚያደርገው ምንድን ነው? በችቦዎች ውስጥ ተመሳሳይ ክስተት ማየት እንችላለን።

በሕይወታችን ውስጥ ብዙ አስደሳች ነገሮች በሻማዎችና በዘይት መብራቶች ውስጥ ከሚከሰቱት ክስተቶች ጋር ተመሳሳይ ናቸው። ፈሳሹ እግር እንዳለው ያህል ነው፣ ይህም ወደ ላይ እንዲንቀሳቀስ ያስችለዋል። ይህንን በሳይንሳዊ መንገድ ማስረዳት ይችላሉ? በሻማዎች፣ በዘይት መብራቶች እና በሌሎች በርካታ ተዛማጅ ክስተቶች ውስጥ የሚከሰቱትን ክስተቶች ሊያብራራ የሚችል አንድ የፊዚክስ ፅንሰ-ሀሳብ ካፒላሪቲ ነው።

የመተጣጠፍ እና የመጣበቅ ኃይሎች

ውህደት በተመሳሳይ ንጥረ ነገር ሞለኪውሎች መካከል ያለው ማራኪ ኃይል ሲሆን በተለያዩ ንጥረ ነገሮች ሞለኪውሎች መካከል ያለው ማራኪ ኃይል ደግሞ ማጣበቂያ ይባላል። ለምሳሌ፣ ውሃ ወደ ብርጭቆ ብንፈስስ፣ ውህደት የሚከሰተው የውሃ ሞለኪውሎች እርስ በርስ ሲሳቡ ሲሆን ማጣበቂያው የሚከሰተው ደግሞ የውሃ ሞለኪውሎች እና የመስታወት ሞለኪውሎች እርስ በርስ ሲሳቡ ነው።

የመገናኛ አንግል

የካፒላሪቲ ጽንሰ-ሀሳብን ከመዳሰሳችን በፊት፣ በመጀመሪያ የማጣበቂያ እና የተዋሃዱ ኃይሎች በካፒላሪቲ ላይ እንዴት ተጽዕኖ እንደሚያሳድሩ መረዳት አለብን። ለምሳሌ፣ በመስታወት ውስጥ ያለ ፈሳሽን ያስቡበት። የፈሳሽ ሞለኪውሎች የተዋሃዱ ኃይሎች ከማጣበቂያ ኃይሎች (በፈሳሽ ሞለኪውሎች እና በመስታወት ሞለኪውሎች መካከል ካሉት ማራኪ ኃይሎች) የበለጠ ጠንካራ ሲሆኑ፣ የፈሳሹ ወለል ወደ ላይ ይጠምዘዛል። የዚህ ምሳሌ ውሃ በመስታወት ውስጥ ሲሆን ነው። ውሃ የመስታወቱን ወለል እንደሚያረክስ በተለምዶ ይነገራል። በተቃራኒው፣ የማጣበቂያ ኃይሎች ጠንካራ ከሆኑ የፈሳሹ ወለል ወደ ታች ይጠምዘዛል። ለምሳሌ፣ ሜርኩሪ በመስታወት ውስጥ ሲሆን።

ኩርባው የሚፈጠረው አንግል የመገናኛ አንግል ይባላል። የፈሳሹ የተቀናጀ ኃይል ከማጣበቂያው ኃይል ሲበልጥ፣ የተፈጠረው የመገናኛ አንግል በአጠቃላይ ከ90° ያነሰ ነው።^o (ምስል ሀ)። በተቃራኒው፣ የማጣበቅ ኃይል ከፈሳሽ ውህደት ኃይል የሚበልጥ ከሆነ፣ የተፈጠረው የመገናኛ አንግል ከ90 ይበልጣል።^o (ምስል ለ)። የማጣበቂያ እና የመተሳሰር ኃይሎች በንድፈ ሀሳብ ለማስላት አስቸጋሪ ናቸው፣ ነገር ግን የመገናኛ አንግል ሊለካ ይችላል። ከካፒላሪቲ ጋር ያለው ግንኙነት ምንድን ነው?

የካፒላሪቲ ጽንሰ-ሀሳብ

የአንድ ፈሳሽ የተቀናጀ ኃይል ከማጣበቂያው ኃይል የሚበልጥ ከሆነ የፈሳሹ ወለል ወደ ላይ ይጠመዳል። ቀጭን ቱቦ ወይም ቧንቧ (ከእቃው ያነሰ ዲያሜትር ያለው ቧንቧ) ስናስገባ፣ ከፍ ያለ የፈሳሽ ክፍል ይፈጠራል። በሌላ አነጋገር፣ በመያዣው ውስጥ ያለው ፈሳሽ በቧንቧው አምድ በኩል ይወጣል። ይህ የሆነበት ምክንያት በቱቦው ግድግዳ ላይ ያለው አጠቃላይ የገጽታ ውጥረት ኃይል ወደ ላይ ስለሚንቀሳቀስ ነው። አንድ ፈሳሽ ሊደርስበት የሚችለው ከፍተኛው ቁመት የገጽታ ውጥረት ኃይል በቧንቧው ውስጥ ካለው ፈሳሽ ክብደት ጋር እኩል ወይም እኩል ሲሆን ነው። ስለዚህ፣ ፈሳሹ ወደ ከፍታ ሊወጣ የሚችለው የገጽታ ውጥረት ኃይል በቧንቧው ውስጥ ባለው ፈሳሽ ክብደት በሚመጣጠንበት ጊዜ ብቻ ነው።

በተቃራኒው፣ የማጣበቂያው ኃይል ከፈሳሹ የተቀናጀ ኃይል የሚበልጥ ከሆነ፣ የፈሳሹ ወለል ወደ ታች ይጠመዳል። ቀጭን ቱቦ ወይም ቧንቧ (ከእቃው ያነሰ ዲያሜትር ያለው ቧንቧ) ስናስገባ፣ የፈሳሹ የታችኛው ክፍል ይፈጠራል (ከታች ያለውን ምስል ይመልከቱ)።

ይህ ተጽእኖ የካፊላሪ እንቅስቃሴ ወይም ካፊላሪቲ በመባል ይታወቃል፣ እና እነዚህ ቀጫጭን ቱቦዎች የካፊላሪ ቱቦዎች ይባላሉ። በእነዚህ ትናንሽ መርከቦች ውስጥ ያለው የደም ዝውውር በካፒላሪ ተጽእኖ ምክንያት ስለሚከሰት ትንንሽ የደም ሥርዎቻችን የካፊላሪ ቱቦዎች ተብለው ሊጠሩ እንደሚችሉ ልብ ሊባል ይገባል። በተመሳሳይ፣ በዊክ ውስጥ የሚቀልጠው ሰም ወይም ኬሮሲን የመውጣቱ ክስተትም ግልጽ ነው። ከዚህም በላይ፣ ካፊላሪቲ ከሥሩ ወደ ቅጠሎቹ በትናንሽ የክሲለም መርከቦች በኩል ውሃ እና ንጥረ ነገሮች በሚንቀሳቀሱበት ጊዜ ወሳኝ ሚና እንደሚጫወት ይታመናል። ካፊላሪቲ ከሌለ፣ የአፈር ወለል ዝናብ ወይም መስኖ ከተከሰተ በኋላ ወዲያውኑ ይደርቃል። የካፊላሪቲ ሌላው አስፈላጊ ውጤት በአፈር ቅንጣቶች መካከል ባለው ክፍተት ውስጥ ውሃ መያዙ ነው።

የካፒላሪቲ እኩልታ

በካፒላሪ ቱቦ አምድ ውስጥ የሚወጣውን የውሃ ቁመት እንዴት ማወቅ እንችላለን? ፈሳሹ በአምዱ ውስጥ የሚወጣ ይመስላል። ራዲየስ r እስከ ቁመት h ያለው የካፒላሪ ቱቦ። ፈሳሹን በከፍታ h ላይ በመያዝ ረገድ የሚጫወተው ሚና የሚጫወተው ኃይል የገጽታ ውጥረት ኃይል አካል ነው፡ F cos theta።

የካፒላሪ ቱቦው የላይኛው ክፍል ክፍት ስለሆነ የከባቢ አየር ግፊት በፈሳሹ ወለል ላይ ይደረጋል። በፈሳሹ እና በቱቦው መካከል ያለው የመገናኛ ወለል ርዝመት 2 phi r (የክበቡ ዙሪያ) ነው። ስለዚህ፣ በእውቂያ ወለል ላይ የሚሰራው የገጽታ ውጥረት ኃይል ቋሚ ክፍል መጠን፡

የፈሳሹ ወለል ወደ ላይ የሚወጣው ኩርባ ችላ ከተባለ፣ በቧንቧው ውስጥ ያለው የፈሳሽ መጠን የሚከተለው ነው፡

የፈሳሽ መጠን = የቧንቧው ወለል x የፈሳሽ ቁመት

ቪ = ኤ ሸ

ቪ = (π r)²) ኤች

የገጽታ ውጥረት ኃይል ቋሚ ክፍል በካፒላሪ ቱቦ ውስጥ ካለው የፈሳሽ አምድ ክብደት ጋር ሚዛናዊ ከሆነ፣ ፈሳሹ ከዚያ በላይ ሊወጣ አይችልም። በሌላ አነጋገር፣ ፈሳሹ ከፍተኛውን ቁመት ይደርሳል፣ የገጽታ ውጥረት ኃይል ቋሚ ክፍል ቁመት h ላይ ካለው የፈሳሽ ክብደት ጋር ሲመጣጠን። የገጽታ ውጥረት ኃይል ቋሚ አካል፡

F = γ 2 π r cos θ

ይህ በእንዲህ እንዳለ፣ በካፒላሪ ቱቦ ውስጥ ያለው ፈሳሽ ክብደት፡

ወ = mg

w = ρ V g

w = ρ ( π r² ኤች ) ግ

ፈሳሹ ከፍተኛውን ቁመት (h) ሲደርስ፣ የገጽታ ውጥረት ኃይል ቋሚ አካል በካፒላሪ ቱቦ ውስጥ ካለው ፈሳሽ ክብደት ጋር እኩል መሆን አለበት። በሂሳብ፣ እንዲህ ተብሎ ተጽፏል፡

የምንፈልገው እኩልታ ይህ ነው። የፈሳሽ አምድ ቁመትን ለመወሰን ከፈለጉ፣ እባክዎ ይህንን እኩልታ ይጠቀሙ።