درک کشش سطحی
کشش سطحی به این دلیل رخ می‌دهد که سطح یک مایع تمایل به سفت شدن دارد و ظاهری نازک و شبیه به غشاء ایجاد می‌کند. این امر تحت تأثیر نیروهای چسبندگی بین مولکول‌های آب است. برای درک بهتر این توضیح، تصویر زیر را در نظر بگیرید. بیایید یک مایع را در یک ظرف در نظر بگیریم.
مولکول‌های مایع معمولاً یکدیگر را جذب می‌کنند. در داخل یک مایع، هر مولکول مایع از هر طرف توسط مولکول‌های دیگر احاطه شده است؛ اما در سطح مایع، فقط مولکول‌های مایع در طرفین و پایین وجود دارند. هیچ مولکول مایع دیگری در بالا وجود ندارد. از آنجا که مولکول‌های مایع یکدیگر را جذب می‌کنند، نیروی خالص صفر بر مولکول‌های داخل مایع وجود دارد. برعکس، مولکول‌های مایع در سطح توسط مولکول‌های مایع در طرفین و پایین جذب می‌شوند. در نتیجه، یک نیروی خالص در سطح مایع وجود دارد که به سمت پایین هدایت می‌شود. به دلیل این نیروی خالص به سمت پایین، مایع در سطح تمایل دارد مساحت سطح خود را کاهش دهد و تا حد امکان منقبض شود.
این باعث می‌شود لایه مایع روی سطح طوری به نظر برسد که انگار توسط یک غشای نازک الاستیک پوشیده شده است.
وقتی گیره با دقت روی سطح آب قرار می‌گیرد، مولکول‌های آب واقع در سطح، تحت فشار گرانش گیره قرار می‌گیرند، به طوری که مولکول‌های آب واقع در زیر، نیرویی رو به بالا برای نگه داشتن گیره اعمال می‌کنند ( الاستیسیته و قانون هوک را به یاد بیاورید ).
در واقع، گیره‌های کاغذ تنها چیزی نیستند که می‌توانید استفاده کنید؛ می‌توانند اشیاء دیگری مانند سوزن نیز باشند. اگر سوزنی را با دقت روی سطح آب قرار دهید، شناور می‌شود. به همین دلیل است که حشرات می‌توانند روی آب شناور شوند.
معادله کشش سطحی
برای کمک به استخراج معادله کشش سطحی، سیمی را در نظر می‌گیریم که به شکل U خم شده است. یک سیم صاف دیگر به دو پایه سیم U شکل متصل است، جایی که سیم صاف می‌تواند حرکت کند.
اگر این سیم در محلول صابون قرار داده شود، پس از برداشتن آن، یک لایه آب صابون روی سطح سیم تشکیل می‌شود. مشابه زمانی که حباب صابون بازی می‌کنید. از آنجا که سیم مستقیم قابل حرکت است و جرم آن خیلی زیاد نیست، لایه آب صابون یک نیروی کشش سطحی روی سیم مستقیم ایجاد می‌کند به طوری که سیم مستقیم به سمت بالا حرکت می‌کند (به جهت فلش توجه کنید). برای جلوگیری از حرکت سیم مستقیم (سیم در حالت تعادل است)، یک نیروی کل به سمت پایین مورد نیاز است، که در آن بزرگی نیروی کل F = w + T است. در حالت تعادل، F = نیرویی است که توسط لایه آب صابون روی سیم مستقیم اعمال می‌شود.
فرض کنید طول یک سیم مستقیم l باشد. از آنجایی که لایه آب صابون که با سیم مستقیم در تماس است، دو سطح دارد، نیروی تولید شده توسط لایه آب صابون در امتداد طول 2l عمل می‌کند. کشش سطحی روی لایه صابون، نسبت بین نیرو (F) و طول سطحی است که نیرو بر آن اعمال می‌شود (d). در این حالت، طول سطح 2l است. از نظر ریاضی، نوشته می‌شود:
از آنجا که کشش سطحی نسبت نیرو به واحد طول است، واحد آن نیوتن بر متر (N/m) یا دین بر سانتی‌متر (dyn/cm) است.
در زیر برخی از مقادیر کشش سطحی که بر اساس آزمایش‌ها به دست آمده‌اند، آورده شده است.
بر اساس داده‌های بالا، به نظر می‌رسد که دما بر کشش سطحی یک سیال تأثیر می‌گذارد. به طور کلی، با افزایش دما، مقدار آن کاهش می‌یابد. دلیل این امر این است که با افزایش دما، مولکول‌های مایع سریع‌تر حرکت می‌کنند و برهمکنش بین مولکول‌های مایع کاهش می‌یابد. در نتیجه، مقدار کشش سطحی نیز کاهش می‌یابد.
کاربرد در زندگی روزمره
آیا تا به حال از خود پرسیده‌اید که چرا لباس‌ها را با صابون می‌شوییم؟ مشکل این است که برای تمیز کردن واقعی لباس‌ها، آب باید از شکاف‌های بسیار باریکی در الیاف عبور کند. این امر مستلزم افزایش سطح آب است. دستیابی به این امر به دلیل کشش سطحی بسیار دشوار است. چه بخواهید چه نخواهید، ابتدا باید کشش سطحی آب کاهش یابد. می‌توانیم با استفاده از آب گرم، کشش سطحی را کاهش دهیم. هرچه دمای آب بالاتر باشد، بهتر است، زیرا هرچه دمای آب بالاتر باشد، کشش سطحی کمتر است (به جدول مراجعه کنید). این اولین جایگزین است و به ندرت استفاده می‌شود، مگر برای کسانی که دوست دارند با آب گرم بازی کنند. جایگزین دیگر استفاده از صابون است.
در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد، مقدار کشش سطحی آب صابون ۲۵.۰۰ میلی نیوتن بر متر است. سعی کنید آب صابون و آب داغ را با هم مقایسه کنید، کدام مقدار کمترین مقدار را دارد؟ در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد، مقدار کشش سطحی آب داغ = ۵۸.۹۰ است. در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد، مقدار کشش سطحی آب صابون ۲۵.۰۰ میلی نیوتن بر متر است. استفاده از صابون سودآورتر است... آب همچنین داغ نیست. عوامل دیگری نیز وجود دارند که بر میزان تمیز شدن لباس‌ها یا بدن ما با صابون تأثیر می‌گذارند. بنابراین آنچه در بالا توضیح داده شد تنها یکی از عوامل تأثیرگذار است.
چرا حباب‌های صابون یا آب گرد هستند؟
حباب‌های صابون یا همان قطرات آب، به دلیل کشش سطحی، شکلی کروی دارند. ابتدا به بحث در مورد حباب‌های صابون می‌پردازیم. حباب‌های صابون دو غشای نازک روی سطح خود دارند که بین آنها یک لایه نازک آب قرار دارد.
کشش سطحی باعث انقباض غشاء می‌شود و تمایل به کاهش سطح آن دارد. هنگامی که غشاء آب صابون منقبض می‌شود و سعی در کاهش سطح آن دارد، اختلاف فشار هوا بین قسمت بیرونی غشاء (فشار اتمسفر) و داخل غشاء ایجاد می‌شود. فشار هوای خارج از غشاء (فشار اتمسفر) نیز هنگام انقباض، غشاء آب صابون را هل می‌دهد، زیرا فشار هوای داخل غشاء کمتر است.
پس از انقباض غشاء، هوای داخل (هوای محبوس بین دو غشاء) نیز فشرده می‌شود و فشار هوای داخل غشاء را تا زمان توقف انقباض افزایش می‌دهد. به عبارت دیگر، وقتی انقباض متوقف می‌شود، فشار هوای بین غشاءها برابر است با فشار اتمسفر + نیروی کشش سطحی که غشاءها را منقبض می‌کند.
خب، قطرات شبنم یا قطرات آب که از شیر آب بیرون می‌آیند چطور؟ آنها اساساً یکسان هستند، زیرا علت اصلی آنها کشش سطحی است. در حالی که یک حباب صابون دو غشای نازک روی دو سطح خود دارد، یک قطره آب فقط یک غشای نازک دارد که در قسمت بیرونی قطره قرار دارد. قسمت داخلی آن پر از آب است. قسمت بیرونی قطره به سمت داخل کشیده می‌شود. در نتیجه، آب منقبض می‌شود و تمایل به کاهش سطح آن دارد. فشار اتمسفر خارجی نیز به فشرده شدن قطره آب کمک می‌کند. انقباض زمانی متوقف می‌شود که فشار روی قسمت داخلی آب برابر با فشار اتمسفر به علاوه نیرویی باشد که غشای آب را منقبض می‌کند.
