آیا تا به حال شمع دیدهاید؟ امیدوارم از آن استفاده کنید. یک پدیده جالب که میتوانیم هنگام سوختن شمع ببینیم. کف فتیله شمع در حال سوختن معمولاً همیشه با موم ذوب شده (روی فتیله) مرطوب است. وجود موم ذوب شده روی فتیله به این معنی است که شمع میتواند برای مدت طولانی بسوزد. چه چیزی باعث میشود موم ذوب شده به سمت بالا و به سمت فتیله شمع در حال سوختن حرکت کند؟ میتوانیم همین پدیده را در مشعلها مشاهده کنیم.
بسیاری از چیزهای جالب در زندگی ما شبیه پدیدههایی هستند که در شمعها و چراغهای نفتی رخ میدهند. انگار مایع پا دارد و به آن اجازه میدهد به سمت بالا حرکت کند. آیا میتوانید این را از نظر علمی توضیح دهید؟ یکی از مفاهیم فیزیک که میتواند پدیدههایی را که در شمعها، چراغهای نفتی و بسیاری از پدیدههای مرتبط دیگر رخ میدهد، توضیح دهد، مویینگی است.
نیروهای چسبندگی و پیوستگی
انسجام نیروی جاذبه بین مولکولهای یک ماده است، در حالی که نیروی جاذبه بین مولکولهای مواد مختلف، چسبندگی نامیده میشود. به عنوان مثال، اگر آب را در یک لیوان بریزیم، انسجام زمانی رخ میدهد که مولکولهای آب یکدیگر را جذب کنند، در حالی که چسبندگی زمانی رخ میدهد که مولکولهای آب و مولکولهای شیشه یکدیگر را جذب کنند.
زاویه تماس
قبل از پرداختن به مفهوم مویینگی، ابتدا باید بفهمیم که نیروهای چسبندگی و همدوسی چگونه بر مویینگی تأثیر میگذارند. به عنوان مثال، یک مایع در یک لیوان را در نظر بگیرید. وقتی نیروهای چسبندگی مولکولهای مایع از نیروهای چسبندگی (نیروهای جاذبه بین مولکولهای مایع و مولکولهای شیشه) قویتر باشند، سطح مایع به سمت بالا خمیده میشود. مثالی از این حالت زمانی است که آب در لیوان باشد. معمولاً گفته میشود که آب سطح لیوان را خیس میکند. برعکس، اگر نیروهای چسبندگی قویتر باشند، سطح مایع به سمت پایین خمیده میشود. به عنوان مثال، وقتی جیوه در لیوان باشد.
زاویهای که توسط منحنی تشکیل میشود، زاویه تماس نامیده میشود. وقتی نیروی چسبندگی مایع بیشتر از نیروی چسبندگی باشد، زاویه تماس تشکیل شده عموماً کمتر از ۹۰ درجه است.o (تصویر الف). برعکس، اگر نیروی چسبندگی بیشتر از نیروی پیوستگی سیال باشد، زاویه تماس تشکیل شده بیشتر از 90 درجه خواهد بود.o (شکل ب). محاسبه نیروهای چسبندگی و پیوستگی از نظر تئوری دشوار است، اما زاویه تماس را میتوان اندازهگیری کرد. رابطه آن با خاصیت مویینگی چیست؟
مفهوم مویینگی
اگر نیروی چسبندگی یک مایع بیشتر از نیروی چسبندگی باشد، سطح مایع به سمت بالا انحنا پیدا میکند. وقتی یک لوله یا تیوب نازک (لولهای با قطر کوچکتر از قطر ظرف) را وارد میکنیم، بخش بلندتری از مایع تشکیل میشود. به عبارت دیگر، مایع درون ظرف از طریق ستون لوله بالا میرود. دلیل این امر آن است که کل نیروی کشش سطحی در امتداد دیواره لوله به سمت بالا عمل میکند. حداکثر ارتفاعی که یک مایع میتواند به آن برسد زمانی است که نیروی کشش سطحی برابر یا مساوی وزن مایع درون لوله باشد. بنابراین، مایع فقط میتواند تا ارتفاعی بالا برود که نیروی کشش سطحی با وزن مایع درون لوله متعادل شود.
برعکس، اگر نیروی چسبندگی بیشتر از نیروی چسبندگی مایع باشد، سطح مایع به سمت پایین انحنا پیدا میکند. وقتی یک لوله یا تیوب نازک (لولهای با قطر کوچکتر از ظرف) وارد کنیم، قسمت پایینی مایع تشکیل میشود (به تصویر زیر مراجعه کنید).
این اثر به عنوان حرکت مویرگی یا مویینگی شناخته میشود و این لولههای نازک، لولههای مویین نامیده میشوند. شایان ذکر است که کوچکترین رگهای خونی ما را نیز میتوان لولههای مویین نامید، زیرا گردش خون در این رگهای کوچک نیز به دلیل اثر مویینگی است. به طور مشابه، پدیده ذوب شدن موم یا نفت سفید که از طریق فتیله بالا میرود نیز مشهود است. علاوه بر این، اعتقاد بر این است که مویینگی نقش حیاتی در حرکت آب و مواد مغذی از ریشهها به برگها از طریق رگهای چوبی کوچک دارد. بدون مویینگی، سطح خاک بلافاصله پس از باران یا آبیاری خشک میشود. یکی دیگر از اثرات مهم مویینگی، حفظ آب در شکافهای بین ذرات خاک است.
معادله مویینگی
چگونه میتوانیم ارتفاع آب را که از ستون لوله مویین بالا میرود، تعیین کنیم؟ به نظر میرسد که مایع در ستون بالا میرود.
لوله مویینی که شعاع r تا ارتفاع h دارد. نیرویی که در نگه داشتن مایع در ارتفاع h نقش دارد، مؤلفه نیروی کشش سطحی در جهت عمودی است: F cos theta.
بالای لوله مویین باز است، بنابراین فشار اتمسفر بر سطح مایع اعمال میشود. طول سطح تماس بین مایع و لوله 2 فی (محیط دایره) است. بنابراین، بزرگی مؤلفه عمودی نیروی کشش سطحی که در امتداد سطح تماس عمل میکند، برابر است با:

اگر منحنی رو به بالای سطح مایع نادیده گرفته شود، حجم مایع در لوله برابر است با:
حجم مایع = مساحت سطح لوله × ارتفاع مایع
V = A ساعت
V = (πr^ 2 ) h
اگر مؤلفه عمودی نیروی کشش سطحی با وزن ستون مایع در لوله مویین متعادل باشد، مایع نمیتواند بیشتر از این بالا برود. به عبارت دیگر، مایع زمانی به حداکثر ارتفاع خود میرسد که مؤلفه عمودی نیروی کشش سطحی با وزن مایع در ارتفاع h متعادل شود. مؤلفه عمودی نیروی کشش سطحی برابر است با:
F = γ^2πr cos θ
در همین حال، وزن مایع درون لوله مویین برابر است با:
w = میلیگرم
w = ρ V g
w = ρ (πr^ 2h ) g
وقتی مایع به حداکثر ارتفاع خود (h) میرسد، مؤلفه عمودی نیروی کشش سطحی باید برابر با وزن مایع در لوله مویین باشد. از نظر ریاضی، نوشته میشود:

این معادلهای است که ما به دنبال آن هستیم. اگر میخواهید ارتفاع یک ستون مایع را تعیین کنید، لطفاً از این معادله استفاده کنید.