Oletko koskaan nähnyt kynttilää? Toivottavasti käytät sitä. Yksi mielenkiintoinen ilmiö, jonka voimme havaita kynttilän palaessa. Palavan kynttilän sydämen pohja on yleensä aina märkä sulaneesta vahasta (sydämen päällä). Sulan vahan läsnäolo sydämessä tarkoittaa, että kynttilä voi palaa pitkään. Mikä saa sulaneen vahan liikkumaan ylöspäin kohti palavaa kynttilän sydänlankaa? Voimme havaita saman ilmiön soihtuissa.
Monet mielenkiintoiset asiat elämässämme ovat samankaltaisia kuin kynttilöissä ja öljylampuissa esiintyvät ilmiöt. Nesteellä on ikään kuin jalat, joiden avulla se voi liikkua ylöspäin. Voitko selittää tämän tieteellisesti? Yksi fysiikan käsite, joka voi selittää kynttilöissä, öljylampuissa ja monissa muissa vastaavissa ilmiöissä esiintyviä ilmiöitä, on kapillaarisuus.
Koheesio- ja tartuntavoimat
Koheesio on saman aineen molekyylien välinen vetovoima, kun taas eri aineiden molekyylien välistä vetovoimaa kutsutaan adheesiona. Esimerkiksi jos kaadamme vettä lasiin, koheesio tapahtuu, kun vesimolekyylit vetävät toisiaan puoleensa, kun taas adheesio tapahtuu, kun vesimolekyylit ja lasimolekyylit vetävät toisiaan puoleensa.
Kosketuskulma
Ennen kuin syvennymme kapillaarisuuden käsitteeseen, meidän on ensin ymmärrettävä, miten adheesio- ja koheesiovoimat vaikuttavat kapillaarisuuteen. Tarkastellaan esimerkiksi nestettä lasissa. Kun nestemolekyylien koheesiovoimat ovat voimakkaampia kuin adheesiovoimat (nestemolekyylien ja lasimolekyylien väliset vetovoimat), nesteen pinta kaartuu ylöspäin. Esimerkki tästä on vesi lasissa. Yleisesti sanotaan, että vesi kostuttaa lasin pinnan. Käänteisesti, jos adheesiovoimat ovat voimakkaampia, nesteen pinta kaartuu alaspäin. Esimerkiksi kun elohopea on lasissa.
Käyrän muodostamaa kulmaa kutsutaan kosketuskulmaksi. Kun nesteen koheesiovoima on suurempi kuin tarttumisvoima, muodostuva kosketuskulma on yleensä alle 90°.o (kuva a). Kääntäen, jos adheesiovoima on suurempi kuin nesteen koheesiovoima, muodostuva kosketuskulma on suurempi kuin 90o (kuva b). Adheesio- ja koheesiovoimia on teoreettisesti vaikea laskea, mutta kosketuskulma voidaan mitata. Mikä on niiden suhde kapillaarisuuteen?
Kapillaarisuuden käsite
Jos nesteen koheesiovoima on suurempi kuin adheesiovoima, nesteen pinta kaartuu ylöspäin. Kun työnnämme putkeen ohuen putken (putken, jonka halkaisija on pienempi kuin säiliön), muodostuu korkeampi nestekerros. Toisin sanoen säiliössä oleva neste nousee putken seinämän läpi. Tämä johtuu siitä, että putken seinämään kohdistuva kokonaispintajännitysvoima vaikuttaa ylöspäin. Neste voi nousta korkeimmalle korkeudelle, kun pintajännitysvoima on yhtä suuri tai yhtä suuri kuin putkessa olevan nesteen paino. Siksi neste voi nousta vain korkeuteen, jossa pintajännitysvoima on tasapainossa putkessa olevan nesteen painon kanssa.
Käänteisesti, jos tarttumisvoima on suurempi kuin nesteen koheesiovoima, nesteen pinta kaartuu alaspäin. Kun työnnämme sisään ohuen putken tai putken (putken, jonka halkaisija on pienempi kuin säiliön), muodostuu nesteen alempi osa (katso alla oleva kuva).
Tätä ilmiötä kutsutaan kapillaariliikkeeksi eli kapillaarisuoneksi, ja näitä ohuita putkia kutsutaan kapillaariputkiksi. On syytä huomata, että pienimpiä verisuoniamme voidaan myös kutsua kapillaariputkiksi, koska verenkierto näissä pienissä suonissa johtuu myös kapillaarivaikutuksesta. Samoin ilmiö, jossa sulava vaha tai kerosiini nousee sydämen läpi, on myös ilmeinen. Lisäksi kapillaarisuuden uskotaan olevan tärkeässä roolissa veden ja ravinteiden liikkumisessa juurista lehtiin pienten ksyleemin suonten kautta. Ilman kapillaarisuutta maan pinta kuivuisi heti sateen tai kastelun jälkeen. Toinen tärkeä kapillaarisuuden vaikutus on veden pidättyminen maaperän hiukkasten välisiin rakoihin.
Kapillaarisuusyhtälö
Kuinka voimme määrittää kapillaariputkikolonnin läpi nousevan veden korkeuden? Neste näyttää nousevan kolonnissa. 
kapillaariputki, jonka säde on r ja korkeus h. Voima, joka pitää nesteen korkeudella h, on pintajännitysvoiman pystysuuntainen komponentti: F cos theta.
Kapillaariputken yläosa on avoin, joten nesteen pintaan kohdistuu ilmakehän paine. Nesteen ja putken välisen kosketuspinnan pituus on 2 phi r (ympyrän kehä). Näin ollen kosketuspintaan vaikuttavan pintajännitysvoiman pystysuuntaisen komponentin suuruus on:
Jos nestepinnan ylöspäin suuntautuvaa kaarevuutta ei oteta huomioon, putkessa olevan nesteen tilavuus on:
Nesteen tilavuus = putken pinta-ala x nesteen korkeus
V = A h
V = (πr2 ) h
Jos pintajännitysvoiman pystysuora komponentti on tasapainossa kapillaariputkessa olevan nestepatsaan painon kanssa, neste ei voi nousta enempää. Toisin sanoen neste saavuttaa maksimikorkeutensa, kun pintajännitysvoiman pystysuora komponentti on tasapainossa nesteen painon kanssa korkeudella h. Pintajännitysvoiman pystysuora komponentti on:
F = γ²πr cos θ
Samaan aikaan kapillaariputkessa olevan nesteen paino on:
w = mg
w = ρV g
w = ρ(πr²h ) g
Kun neste saavuttaa maksimikorkeutensa (h), pintajännitysvoiman pystysuuntaisen komponentin on oltava yhtä suuri kuin kapillaariputkessa olevan nesteen paino. Matemaattisesti se kirjoitetaan seuraavasti:
Tätä yhtälöä etsimme. Jos haluat määrittää nestepatsaan korkeuden, käytä tätä yhtälöä.
