পৃষ্ঠটান

পৃষ্ঠটান বোঝা

পৃষ্ঠটান সৃষ্টি হয় কারণ তরলের উপরিভাগ শক্ত হয়ে একটি পাতলা ঝিল্লির মতো আকৃতি তৈরি করে। এটি পানির অণুগুলোর মধ্যকার সংসক্তি বল দ্বারা প্রভাবিত হয়। এই ব্যাখ্যাটি আরও ভালোভাবে বোঝার জন্য, নিচের উদাহরণটি বিবেচনা করুন। ধরা যাক, একটি পাত্রে একটি তরল রয়েছে।

তরলের অণুগুলো সাধারণত পরস্পরকে আকর্ষণ করে। তরলের অভ্যন্তরে, প্রতিটি তরল অণুর উভয় পাশে অন্যান্য অণু থাকে; কিন্তু তরলের উপরিভাগে কেবল পাশে এবং নিচের দিকেই তরল অণু থাকে। উপরে অন্য কোনো তরল অণু থাকে না। যেহেতু তরল অণুগুলো পরস্পরকে আকর্ষণ করে, তাই তরলের অভ্যন্তরের অণুগুলোর উপর মোট বল শূন্য থাকে। বিপরীতভাবে, উপরিভাগের তরল অণুগুলো পাশে এবং নিচের দিকের তরল অণু দ্বারা আকৃষ্ট হয়। ফলে, তরলের উপরিভাগে একটি মোট বল কাজ করে যা নিচের দিকে নির্দেশিত। এই নিম্নমুখী মোট বলের কারণে, উপরিভাগের তরল তার পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল কমাতে চায় এবং যথাসম্ভব সংকুচিত হতে চায়।

এর ফলে পৃষ্ঠতলের তরল স্তরটিকে এমন দেখায় যেন এটি একটি পাতলা স্থিতিস্থাপক ঝিল্লি দ্বারা আবৃত। 

যখন ক্লিপটি সাবধানে জলের পৃষ্ঠে রাখা হয়, তখন ক্লিপটির মাধ্যাকর্ষণ শক্তির প্রভাবে পৃষ্ঠে থাকা জলের অণুগুলো সামান্য চাপা পড়ে , ফলে নীচে থাকা জলের অণুগুলো ক্লিপটিকে ধরে রাখার জন্য একটি ঊর্ধ্বমুখী পুনরুদ্ধারকারী বল প্রয়োগ করে ( স্থিতিস্থাপকতা এবং হুকের সূত্র স্মরণ করুন )।

বাস্তবে, শুধু পেপার ক্লিপই ব্যবহার করা যায় এমন নয়; সুইয়ের মতো অন্যান্য বস্তুও ব্যবহার করা যেতে পারে। যদি আপনি সাবধানে জলের উপর একটি সুই রাখেন, তবে সেটি ভাসবে। এই কারণেই পোকামাকড়ও জলের উপর ভাসতে পারে।

পৃষ্ঠটান সমীকরণ

পৃষ্ঠটানের সমীকরণ প্রতিপাদন করতে, আমরা ইংরেজি 'U' অক্ষরের আকারে বাঁকানো একটি তার বিবেচনা করি। 'U' আকৃতির তারটির দুটি বাহুর সাথে আরেকটি সোজা তার যুক্ত থাকে, যেখান থেকে সোজা তারটিকে সরানো যায়।

এই তারটিকে যদি সাবান দ্রবণে রাখা হয়, তবে এটিকে তুলে নেওয়ার পর তারটির পৃষ্ঠে সাবান-জলের একটি স্তর তৈরি হবে। অনেকটা সাবানের বুদবুদ খেলার মতো। যেহেতু সোজা তারটিকে সরানো যায় এবং এর ভর খুব বেশি নয়, তাই সাবান-জলের স্তরটি সোজা তারটির উপর একটি পৃষ্ঠটান বল প্রয়োগ করবে, যার ফলে সোজা তারটি উপরের দিকে উঠে যাবে (তীরের দিকটি লক্ষ্য করুন)। সোজা তারটিকে স্থির রাখতে (তারটি সাম্যাবস্থায় আছে), একটি মোট বলের প্রয়োজন যা নিচের দিকে নির্দেশিত, যেখানে মোট বলের মান হলো F = w + T। সাম্যাবস্থায়, F = সোজা তারটির উপর সাবান-জলের স্তর দ্বারা প্রযুক্ত বল।

ধরা যাক, একটি সরল তারের দৈর্ঘ্য l। যেহেতু সরল তারটিকে স্পর্শ করে থাকা সাবান-পানির স্তরের দুটি পৃষ্ঠ রয়েছে, তাই সাবান-পানির স্তর দ্বারা সৃষ্ট বলটি 2l দৈর্ঘ্য বরাবর কাজ করে। সাবানের স্তরের উপর পৃষ্ঠটান হলো বল (F) এবং যে পৃষ্ঠের উপর বলটি কাজ করে তার দৈর্ঘ্য (d)-এর অনুপাত। এই ক্ষেত্রে, পৃষ্ঠের দৈর্ঘ্য হলো 2l। গাণিতিকভাবে, এটি লেখা হয়:

যেহেতু পৃষ্ঠটান হলো প্রযুক্ত বল এবং একক দৈর্ঘ্যের অনুপাত, তাই এর একক হলো নিউটন প্রতি মিটার (N/m) বা ডাইন প্রতি সেন্টিমিটার (dyn/cm)।

পরীক্ষার ভিত্তিতে প্রাপ্ত পৃষ্ঠটানের কয়েকটি মান নিচে দেওয়া হলো।

উপরোক্ত তথ্য থেকে প্রতীয়মান হয় যে, তাপমাত্রা তরলের পৃষ্ঠটানকে প্রভাবিত করে। সাধারণত, তাপমাত্রা বাড়লে এর মান কমে যায়। এর কারণ হলো, তাপমাত্রা বাড়লে তরলের অণুগুলো দ্রুত চলাচল করে, ফলে অণুগুলোর মধ্যকার পারস্পরিক ক্রিয়া কমে যায়। ফলস্বরূপ, পৃষ্ঠটানের মানও হ্রাস পায়।

দৈনন্দিন জীবনে প্রয়োগ

আপনি কি কখনো ভেবে দেখেছেন আমরা কেন সাবান দিয়ে কাপড় ধুই? সমস্যা হলো, কাপড়কে সত্যিই পরিষ্কার করতে হলে, পানিকে কাপড়ের তন্তুর খুব সরু ফাঁকের মধ্যে দিয়ে যেতে হয়। এর জন্য পানির পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল বাড়াতে হয়। পৃষ্ঠটানের কারণে এটি অর্জন করা খুব কঠিন। পছন্দ হোক বা না হোক, প্রথমে পানির পৃষ্ঠটান কমাতেই হবে। আমরা গরম পানি ব্যবহার করে পৃষ্ঠটান কমাতে পারি। পানির তাপমাত্রা যত বেশি হবে, তত ভালো, কারণ পানির তাপমাত্রা যত বেশি হয়, পৃষ্ঠটান তত কমে (সারণি দেখুন)। এটি প্রথম বিকল্প এবং খুব কমই ব্যবহৃত হয়, তবে যারা গরম পানি নিয়ে খেলতে ভালোবাসেন তারা এর ব্যতিক্রম। আরেকটি বিকল্প হলো সাবান ব্যবহার করা।

^{২০ °} সেলসিয়াস তাপমাত্রায় , সাবান মেশানো জলের পৃষ্ঠটানের মান ২৫.০০ mN/m। সাবান মেশানো জল এবং গরম জলের তুলনা করে দেখুন, কোনটির মান সবচেয়ে কম? ১০০ ^° সেলসিয়াস তাপমাত্রায়, গরম জলের পৃষ্ঠটানের মান = ৫৮.৯০। ২০ ^° সেলসিয়াস তাপমাত্রায়, সাবান মেশানো জলের পৃষ্ঠটানের মান ২৫.০০ mN/m। সাবান ব্যবহার করাই বেশি লাভজনক… কারণ জলটিও গরম নয়। আরও অন্যান্য বিষয় আছে যা সাবান দিয়ে আমাদের পোশাক বা শরীর কতটা ভালোভাবে পরিষ্কার করা যাবে তা প্রভাবিত করে। সুতরাং উপরে যা ব্যাখ্যা করা হয়েছে তা প্রভাব বিস্তারকারী কারণগুলোর মধ্যে মাত্র একটি।

সাবান বা পানির বুদবুদ গোলাকার হয় কেন?

পৃষ্ঠটানের কারণে সাবানের বুদবুদ বা জলের ফোঁটা গোলাকার হয়। প্রথমে সাবানের বুদবুদ নিয়ে আলোচনা করা যাক। সাবানের বুদবুদের উপরিভাগে দুটি পাতলা পর্দা থাকে এবং এদের মাঝখানে জলের একটি পাতলা স্তর থাকে।

পৃষ্ঠটানের কারণে ঝিল্লিটি সংকুচিত হয় এবং এর পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল কমাতে চায়। যখন সাবান-পানির ঝিল্লিটি সংকুচিত হয়ে তার পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল কমানোর চেষ্টা করে, তখন ঝিল্লির বাইরের (বায়ুমণ্ডলীয় চাপ) এবং ভেতরের বায়ুচাপের মধ্যে একটি পার্থক্য তৈরি হয়। ঝিল্লির বাইরের বায়ুচাপ (বায়ুমণ্ডলীয় চাপ) সংকোচনের সময় সাবান-পানির ঝিল্লিটিকে ধাক্কাও দেয়, কারণ ঝিল্লির ভেতরের বায়ুচাপ কম থাকে।

ঝিল্লিটি সংকুচিত হওয়ার পর, এর ভেতরের বাতাসও (দুটি ঝিল্লির মধ্যে আটকে থাকা বাতাস) সংকুচিত হয়, এবং সংকোচন বন্ধ না হওয়া পর্যন্ত ঝিল্লির ভেতরের বায়ুচাপ বাড়তে থাকে। অন্য কথায়, যখন সংকোচন বন্ধ হয়ে যায়, তখন ঝিল্লি দুটির মধ্যবর্তী বায়ুচাপ বায়ুমণ্ডলীয় চাপ + ঝিল্লি দুটিকে সংকুচিতকারী পৃষ্ঠটান বলের সমান হয়।

তাহলে শিশির বিন্দু বা কল থেকে পড়া জলের ফোঁটার ব্যাপারে কী বলা যায়? এগুলি মূলত একই, কারণ এর প্রধান কারণ হলো পৃষ্ঠটান। একটি সাবানের বুদবুদের দুটি পৃষ্ঠে দুটি পাতলা পর্দা থাকে, কিন্তু একটি জলের ফোঁটার কেবল একটি পাতলা পর্দা থাকে, যা ফোঁটাটির বাইরের দিকে অবস্থিত। এর ভেতরটা জলে পূর্ণ থাকে। ফোঁটাটির বাইরের অংশ ভেতরের দিকে টানা হয়। এর ফলে, জল সংকুচিত হয় এবং এর পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল কমাতে চায়। বাইরের বায়ুমণ্ডলীয় চাপও জলের ফোঁটাটিকে সংকুচিত করতে সাহায্য করে। এই সংকোচন তখন থেমে যায় যখন জলের ভেতরের চাপ বায়ুমণ্ডলীয় চাপ এবং জলের পর্দাকে সংকুচিতকারী বলের যোগফলের সমান হয়।