Kas oled kunagi küünalt näinud? Loodetavasti kasutad seda. Üks huvitav nähtus, mida küünla põlemisel näha võime. Põleva küünlatahi põhi on tavaliselt alati märg sulavahaga (tahi peal). Sulavaha olemasolu tahi peal tähendab, et küünal võib pikka aega põleda. Mis põhjustab sulavaha liikumist ülespoole põleva küünlatahi poole? Sama nähtust võime täheldada ka tõrvikutes.
Paljud huvitavad asjad meie elus sarnanevad küünalde ja õlilampide puhul esinevate nähtustega. Justkui vedelikul oleksid jalad, mis võimaldavad tal ülespoole liikuda. Kas saate seda teaduslikult selgitada? Üks füüsikamõiste, mis suudab selgitada küünalde, õlilampide ja paljude teiste sarnaste nähtuste puhul esinevaid nähtusi, on kapillaarsus.
Ühtekuuluvus- ja adhesioonijõud
Kohesioon on sama aine molekulide vaheline tõmbejõud, samas kui erinevate ainete molekulide vahelist tõmbejõudu nimetatakse adhesiooniks. Näiteks kui valame klaasi vett, tekib kohesioon siis, kui veemolekulid üksteist ligi tõmbavad, samas kui adhesioon tekib siis, kui vee- ja klaasimolekulid üksteist ligi tõmbavad.
Kontaktnurk
Enne kapillaarsuse kontseptsiooni süvenemist peame kõigepealt mõistma, kuidas adhesiooni- ja kohesioonijõud kapillaarsust mõjutavad. Näiteks vaatleme klaasis olevat vedelikku. Kui vedeliku molekulide kohesioonijõud on tugevamad kui adhesioonijõud (vedeliku molekulide ja klaasi molekulide vahelised tõmbejõud), siis vedeliku pind kõverdub ülespoole. Näiteks kui vesi on klaasis. Üldiselt öeldakse, et vesi niisutab klaasi pinda. Vastupidi, kui adhesioonijõud on tugevamad, siis vedeliku pind kõverdub allapoole. Näiteks kui elavhõbe on klaasis.
Kõvera moodustatud nurka nimetatakse kontaktnurgaks. Kui vedeliku kohesioonijõud on suurem kui adhesioonijõud, on moodustunud kontaktnurk üldiselt väiksem kui 90°.o (pilt a). Vastupidi, kui adhesioonijõud on suurem kui vedeliku kohesioonijõud, siis on tekkinud kontaktnurk suurem kui 90°.o (joonis b). Adhesiooni- ja kohesioonijõude on teoreetiliselt raske arvutada, kuid kontaktnurka saab mõõta. Milline on seos kapillaarsusega?
Kapillaarsuse mõiste
Kui vedeliku kohesioonijõud on suurem kui adhesioonijõud, siis vedeliku pind kõverdub ülespoole. Kui sisestame õhukese toru või toru (toru, mille läbimõõt on väiksem kui anuma läbimõõt), moodustub kõrgem vedelikukiht. Teisisõnu, anumas olev vedelik tõuseb läbi toru samba. See on tingitud asjaolust, et toru seina pindpinevusjõud toimib ülespoole. Vedelik võib tõusta maksimaalsele kõrgusele, kui pindpinevusjõud on võrdne või võrdne torus oleva vedeliku kaaluga. Seega saab vedelik tõusta ainult kõrgusele, kus pindpinevusjõud on tasakaalus torus oleva vedeliku kaaluga.
Vastupidi, kui adhesioonijõud on suurem kui vedeliku kohesioonijõud, siis vedeliku pind kõverdub allapoole. Kui sisestame õhukese toru või toru (toru, mille läbimõõt on väiksem kui anuma läbimõõt), moodustub vedeliku alumine osa (vt allolevat pilti).
Seda efekti tuntakse kapillaarliikumisena ehk kapillaarsusena ja neid õhukesi torusid nimetatakse kapillaartorudeks. Tasub märkida, et meie väikseimaid veresooni võib samuti nimetada kapillaartorudeks, kuna vereringe nendes pisikestes anumates on samuti tingitud kapillaarsefektist. Samamoodi on ilmne ka sulavaha või petrooleumi tõus läbi tahi. Lisaks arvatakse, et kapillaarsusel on oluline roll vee ja toitainete liikumisel juurtest lehtedeni läbi pisikeste ksüleemi anumate. Ilma kapillaarsuseta kuivaks mullapind kohe pärast vihma või niisutamist ära. Kapillaarsuse teine oluline mõju on vee peetumine mullaosakeste vahelistes tühimikes.
Kapillaarsuse võrrand
Kuidas me saame määrata kapillaartoru kolonnis tõusva vee kõrgust? Vedelik näib kolonnis tõusvat. 
Kapillaartoru, mille raadius on r ja kõrgus h. Jõud, mis hoiab vedelikku kõrgusel h, on pindpinevuse vertikaalsuunaline komponent: F cos teeta.
Kapillaartoru ülaosa on avatud, seega mõjub vedeliku pinnale atmosfäärirõhk. Vedeliku ja toru vahelise kontaktpinna pikkus on 2 phi r (ringi ümbermõõt). Seega on kontaktpinnale mõjuva pindpinevusjõu vertikaalse komponendi suurus:
Kui vedeliku pinna ülespoole suunatud kumerust eiratakse, siis torus oleva vedeliku maht on:
Vedeliku maht = toru pindala x vedeliku kõrgus
V = A h
V = (πr2 ) h
Kui pindpinevusjõu vertikaalne komponent on tasakaalus kapillaartorus oleva vedelikusamba kaaluga, siis vedelik ei saa enam tõusta. Teisisõnu, vedelik saavutab oma maksimaalse kõrguse, kui pindpinevusjõu vertikaalne komponent on tasakaalus vedeliku kaaluga kõrgusel h. Pindpinevusjõu vertikaalne komponent on:
F = γ²πrcosθ
Samal ajal on kapillaartorus oleva vedeliku kaal:
w = mg
w = ρVg
w = ρ(πr²h ) g
Kui vedelik saavutab oma maksimaalse kõrguse (h), peab pindpinevusjõu vertikaalne komponent olema võrdne kapillaartorus oleva vedeliku kaaluga. Matemaatiliselt kirjutatakse see järgmiselt:
See on võrrand, mida me otsime. Kui soovite määrata vedelikusamba kõrgust, kasutage seda võrrandit.
