Samloðunar- og viðloðunarkraftur
Samloðunarkraftur er aðdráttarkraftur milli sameinda í svipuðu efni, en aðdráttarkraftur milli sameinda í ójöfnu efni kallast viðloðunarkraftur. Til dæmis hellum við vatni í glas. Samloðun á sér stað þegar vatnssameindir dragast að hvor annarri, en viðloðun á sér stað þegar vatnssameindir og glersameindir dragast að hvor annarri.
Snertihorn
Áður en við lærum hugtakið háræðarþrep skiljum við fyrst áhrif viðloðunarkrafts og samloðunarkrafts á háræðarþrep. Til dæmis skoðum við vökvann í glasi. Þegar samloðunarkraftur vökvasameindarinnar er sterkari en viðloðunarkrafturinn (togkrafturinn milli vökvasameindarinnar og glersameindarinnar) mun yfirborð vökvans mynda uppáviðsferil. Dæmi um þetta er þegar vatn er í glasi. Venjulega er sagt að vatn væti yfirborð glersins. Aftur á móti, ef viðloðunarkrafturinn er sterkari, þá mun yfirborð vökvans beygja niður á við. Til dæmis þegar kvikasilfur er í glasi.
Hornið sem ferillinn myndar kallast snertihorn. Þegar samloðunarkraftur vökvans er hærri en viðloðunarkrafturinn er snertihornið sem myndast almennt minna en 90°.o (mynd a). Ef viðloðunarkrafturinn er hins vegar hærri en samloðunarkrafturinn, þá er snertihornið sem myndast stærra en 90°o (mynd b). Fræðilega séð er erfitt að reikna út viðloðunarkrafta og samloðunarkrafta, en hægt er að mæla snertihorn. Hvað hefur það með háræðarkraft að gera?
Hugtakið kapillarít
Ef samloðunarkraftur vökvans er meiri en viðloðunarkrafturinn, þá mun yfirborð vökvans beygja sig upp á við. Þegar við setjum inn þunnt rör eða pípu (pípu sem er minni í þvermál en ílátið) rís vökvinn í ílátinu upp í gegnum pípusúluna. Þetta er vegna þess að kraftur heildaryfirborðsspennunnar meðfram rörveggnum vinnur upp á við. Hámarkshæð sem vökvi getur náð er þegar yfirborðsspennukrafturinn er jafn þyngd vökvans í rörinu. Þannig getur vökvinn aðeins risið upp í hæð þar sem yfirborðsspennukrafturinn er í jafnvægi við þyngd vökvans í rörinu.
Aftur á móti, ef viðloðunarkrafturinn er meiri en samloðunarkraftur vökvans, þá mun yfirborð vökvans beygja niður á við. Þegar við setjum inn þunnt rör eða rör (rör með minni þvermál en ílátið) mun það mynda neðri hluta vökvans (sjá mynd hér að neðan).
Þessi áhrif eru þekkt sem háræðar, og þunna pípan er kölluð háræðarör. Hafðu í huga að minnstu æðar okkar geta einnig verið kallaðar háræðarpípur því blóðrás í litlum æðum á sér einnig stað vegna áhrifa háræða. Eins er fyrirbærið að vax eða steinolía bráðnar í gegnum ásinn. Ennfremur er talið að háræðar gegni einnig mikilvægu hlutverki í flutningi vatns og næringarefna frá rótum til laufanna í gegnum viðaræðar jarðvegsins. Ef engin háræðar eru til staðar þornar jarðvegsyfirborðið strax eftir rigningu. Önnur mikilvæg áhrif háræða eru að vatn heldur sér í bilunum milli jarðvegsagna.
Kapillarítjafna
Hvernig getum við ákvarðað hæð vatnsins sem rís upp í gegnum háræðarsúluna? Vökvinn rís upp í háræðarsúlunni, sem hefur radíus r upp að hæðinni h. Krafturinn sem verkar til að halda vökvanum í hæðinni h er hluti yfirborðsspennukraftsins í lóðrétta átt: F cos θ.
Efri hluti háræðarörsins er opinn þannig að loftþrýstingur er á yfirborði vökvans. Lengd snertiflatarins milli vökvans og rörsins er 2πr (ummál). Þannig er stærð yfirborðsspennukraftsins á lóðréttu þáttunum sem vinna meðfram snertifletinum:
F = Yfirborðsspenna, γ = Yfirborðsspenna, r = radíus háræðarörsins, θ = Snertihorn
Ef bogadregna uppflötin er hunsuð, þá er rúmmál vökvans í rörinu:
Vökvarúmmál = yfirborðsflatarmál pípunnar x hæð vökvans
V = A klst.
V = (πr² ) h
Ef lóðrétti þáttur yfirborðsspennukraftsins er í jafnvægi við þyngd vökvasúlunnar í háræðarörinu, þá getur vökvinn ekki risið aftur. Með öðrum orðum, vökvinn mun ná hámarkshæð sinni ef lóðrétti þáttur yfirborðsspennukraftsins er í jafnvægi við þyngd vökvans, allt að h. Lóðrétti þáttur yfirborðsspennukraftsins er:
F = γ²πr cos θ
Þó að þyngd vökvans í háræðarörinu sé:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ (π r² h ) g
Þegar vökvinn nær hámarkshæð sinni (h), verður lóðrétti þáttur yfirborðsspennukraftsins að vera jafn þyngd vökvans í háræðarörinu. Stærðfræðilega séð, skrifað:
Þetta er jafnan sem við erum að leita að. Ef þú vilt ákvarða hæð vökvasúlunnar skaltu íhuga að nota þessa jöfnu.
