نیروی چسبندگی و پیوستگی
نیروی پیوستگی، نیروی جاذبه بین مولکولهای یک ماده مشابه است، در حالی که نیروی جاذبه بین مولکولهای یک ماده نابرابر، نیروی چسبندگی نامیده میشود. به عنوان مثال، ما آب را در یک لیوان میریزیم. پیوستگی زمانی رخ میدهد که مولکولهای آب یکدیگر را جذب میکنند، در حالی که چسبندگی زمانی رخ میدهد که مولکولهای آب و مولکولهای شیشه یکدیگر را جذب میکنند.
زاویه تماس
قبل از یادگیری مفهوم مویینگی، ابتدا تأثیر نیروی چسبندگی و نیروی پیوستگی بر مویینگی را درک میکنیم. به عنوان مثال، مایع درون یک لیوان را بررسی میکنیم. وقتی نیروی پیوستگی مولکول مایع از نیروی چسبندگی (نیروی کشش بین مولکول مایع و مولکول شیشه) قویتر باشد، سطح مایع یک منحنی رو به بالا تشکیل میدهد. مثالی از این مورد زمانی است که آب درون لیوان است. معمولاً گفته میشود که آب سطح لیوان را خیس میکند. برعکس، اگر نیروی چسبندگی قویتر باشد، سطح مایع به سمت پایین منحنی میشود. به عنوان مثال، وقتی جیوه درون لیوان است.
زاویهای که توسط منحنی تشکیل میشود، زاویه تماس نامیده میشود. وقتی نیروی چسبندگی سیال بیشتر از نیروی چسبندگی باشد، زاویه تماس ایجاد شده عموماً کوچکتر از 90 درجه است.o (شکل الف). برعکس، اگر نیروی چسبندگی بیشتر از نیروی پیوستگی سیال باشد، زاویه تماس ایجاد شده بیشتر از 90 درجه خواهد بود.o (شکل ب). محاسبه نیروهای چسبندگی و نیروهای پیوستگی از نظر تئوری دشوار است، اما زوایای تماس را میتوان اندازهگیری کرد. این چه ارتباطی با خاصیت مویینگی دارد؟
مفهوم مویینگی
اگر نیروی چسبندگی سیال بیشتر از نیروی چسبندگی باشد، سطح مایع به سمت بالا خم میشود. وقتی یک لوله یا تیوب نازک (لولهای که قطر آن کوچکتر از ظرف است) را وارد میکنیم، مایع درون ظرف از طریق ستون لوله بالا میرود. این به این دلیل است که نیروی کشش سطحی کل 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 با وزن مایع درون لوله باشد. بنابراین، مایع فقط میتواند تا ارتفاعی بالا برود که نیروی کشش سطحی با وزن مایع درون لوله متعادل باشد.
برعکس، اگر نیروی چسبندگی بیشتر از نیروی پیوستگی سیال باشد، سطح مایع به سمت پایین انحنا پیدا میکند. وقتی یک لوله یا تیوب نازک (لولهای با قطر کوچکتر از ظرف) را وارد میکنیم، قسمت پایینی مایع را تشکیل میدهد (به تصویر زیر مراجعه کنید).
این اثر به عنوان مویرگی شناخته میشود و لوله نازک، لوله مویرگی نامیده میشود. به خاطر داشته باشید که کوچکترین رگهای خونی ما را میتوان لولههای مویرگی نیز نامید زیرا گردش خون در رگهای خونی کوچک نیز به دلیل اثرات مویرگی رخ میدهد. به همین ترتیب، پدیده ذوب شدن رو به افزایش موم یا نفت سفید از طریق محور نیز وجود دارد. علاوه بر این، اعتقاد بر این است که مویرگی نقش اساسی در عبور آب و مواد مغذی از ریشهها به برگها از طریق آوندهای چوبی دارد. اگر مویرگی وجود نداشته باشد، سطح خاک بلافاصله پس از باران خشک میشود. یکی دیگر از اثرات قابل توجه مویرگی، حفظ آب در شکافهای بین ذرات خاک است.
معادله مویینگی
چگونه میتوانیم ارتفاع آب بالا آمده از ستون لوله مویین را تعیین کنیم؟ ارتفاع مایع در ستون لوله مویین که شعاع آن r است تا ارتفاع h افزایش مییابد. نیرویی که مایع را در ارتفاع h نگه میدارد، مؤلفه نیروی کشش سطحی در جهت عمودی است: F cos θ.
بالای لوله مویین باز است به طوری که فشار اتمسفر بر سطح مایع وجود دارد. طول سطح تماس بین مایع و لوله 2πr (محیط) است. بنابراین، بزرگی نیروی کشش سطحی اجزای عمودی که در امتداد سطح تماس عمل میکنند عبارتند از:
F = نیروی کشش سطحی، γ = کشش سطحی، r = شعاع لوله مویین، θ = زاویه تماس
اگر سطح منحنی رو به بالا نادیده گرفته شود، حجم مایع درون لوله برابر است با:
حجم سیال = 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 دوباره بالا برود. به عبارت دیگر، اگر مؤلفه عمودی نیروی کشش سطحی با وزن مایع متعادل شود، مایع به حداکثر ارتفاع خود، به اندازه h، خواهد رسید. مؤلفه عمودی نیروی کشش سطحی برابر است با:
F = γ^2πr cos θ
در حالی که وزن مایع در لوله مویین برابر است با:
w = میلیگرم
w = ρ V g
w = ρ (π r 2 h) g
وقتی مایع به حداکثر ارتفاع خود (h) میرسد، مؤلفه عمودی نیروی کشش سطحی باید برابر با وزن مایع در لوله مویین باشد. به صورت ریاضی، نوشته میشود:
این معادلهای است که ما به دنبال آن هستیم. اگر میخواهید ارتفاع ستون مایع را تعیین کنید، لطفاً استفاده از این معادله را در نظر بگیرید.
