Avete mai visto una candela? Spero che vi capiti di vederla. Un fenomeno interessante che possiamo osservare quando una candela brucia è che la parte inferiore dello stoppino è solitamente sempre bagnata di cera fusa (sullo stoppino stesso). La presenza di cera fusa sullo stoppino permette alla candela di bruciare a lungo. Cosa spinge la cera fusa a risalire verso lo stoppino della candela accesa? Possiamo osservare lo stesso fenomeno anche nelle torce.
Molti fenomeni interessanti della nostra vita sono simili a quelli che si verificano nelle candele e nelle lampade a olio. È come se il liquido avesse delle "gambe" che gli permettono di risalire. Puoi spiegarlo scientificamente? Un concetto fisico che può spiegare i fenomeni che si verificano nelle candele, nelle lampade a olio e in molti altri fenomeni simili è la capillarità.
Forze di coesione e adesione
La coesione è la forza attrattiva tra molecole della stessa sostanza, mentre la forza attrattiva tra molecole di sostanze diverse è chiamata adesione. Ad esempio, se versiamo dell'acqua in un bicchiere, la coesione si verifica quando le molecole d'acqua si attraggono a vicenda, mentre l'adesione si verifica quando le molecole d'acqua e le molecole del vetro si attraggono a vicenda.
Angolo di contatto
Prima di approfondire il concetto di capillarità, è fondamentale comprendere come le forze adesive e coesive la influenzino. Ad esempio, consideriamo un liquido in un bicchiere. Quando le forze coesive delle molecole del liquido sono più forti delle forze adesive (le forze attrattive tra le molecole del liquido e le molecole del vetro), la superficie del liquido si incurva verso l'alto. Un esempio è quello dell'acqua in un bicchiere: si dice comunemente che l'acqua bagna la superficie del bicchiere. Al contrario, se le forze adesive sono più forti, la superficie del liquido si incurva verso il basso. Ad esempio, quando il mercurio è in un bicchiere.
L'angolo formato dalla curva è chiamato angolo di contatto. Quando la forza di coesione del liquido è maggiore della forza di adesione, l'angolo di contatto formato è generalmente inferiore a 90°.o (immagine a). Viceversa, se la forza di adesione è maggiore della forza di coesione del fluido, allora l'angolo di contatto formato è maggiore di 90o (figura b). Le forze di adesione e coesione sono teoricamente difficili da calcolare, ma l'angolo di contatto può essere misurato. Qual è la relazione con la capillarità?
Il concetto di capillarietà
Se la forza di coesione di un liquido è maggiore della forza di adesione, la superficie del liquido si incurverà verso l'alto. Quando inseriamo un tubo sottile (con un diametro inferiore a quello del contenitore), si formerà una sezione di liquido più alta. In altre parole, il liquido nel contenitore sale lungo la colonna del tubo. Questo accade perché la forza di tensione superficiale totale lungo la parete del tubo agisce verso l'alto. L'altezza massima che un liquido può raggiungere si ha quando la forza di tensione superficiale è uguale o uguale al peso del liquido nel tubo. Pertanto, il liquido può salire solo fino a un'altezza in cui la forza di tensione superficiale è bilanciata dal peso del liquido nel tubo.
Al contrario, se la forza adesiva è maggiore della forza coesiva del liquido, la superficie del liquido si incurverà verso il basso. Quando inseriamo un tubo sottile (un tubo con un diametro inferiore a quello del contenitore), si formerà una parte inferiore del liquido (vedi l'immagine sottostante).
Questo effetto è noto come movimento capillare, o capillarità, e questi sottili tubi sono chiamati tubi capillari. Vale la pena notare che anche i nostri vasi sanguigni più piccoli possono essere definiti tubi capillari, poiché la circolazione sanguigna in questi minuscoli vasi è dovuta all'effetto capillare. Allo stesso modo, è evidente il fenomeno della cera fusa o del cherosene che risalgono attraverso uno stoppino. Inoltre, si ritiene che la capillarità svolga un ruolo vitale nel movimento dell'acqua e dei nutrienti dalle radici alle foglie attraverso i minuscoli vasi xilematici. Senza la capillarità, la superficie del suolo si asciugherebbe immediatamente dopo la pioggia o l'irrigazione. Un altro importante effetto della capillarità è la ritenzione dell'acqua negli spazi tra le particelle del suolo.
Equazione della capillarità
Come possiamo determinare l'altezza dell'acqua che sale attraverso una colonna capillare? Il liquido sembra salire nella colonna. 
Un tubo capillare di raggio r si trova ad un'altezza h. La forza che contribuisce a mantenere il liquido a tale altezza è la componente verticale della forza di tensione superficiale: F cos θ.
La parte superiore del tubo capillare è aperta, quindi sulla superficie del liquido agisce la pressione atmosferica. La lunghezza della superficie di contatto tra il liquido e il tubo è 2πr (la circonferenza del cerchio). Pertanto, l'intensità della componente verticale della forza di tensione superficiale agente lungo la superficie di contatto è:
Se si ignora la curvatura verso l'alto della superficie del liquido, il volume del liquido nel tubo è:
Volume del liquido = Area della superficie del tubo x Altezza del liquido
V = A h
V = (π r 2 ) h
Se la componente verticale della forza di tensione superficiale è bilanciata dal peso della colonna di liquido nel tubo capillare, allora il liquido non può salire ulteriormente. In altre parole, il liquido raggiungerà la sua altezza massima quando la componente verticale della forza di tensione superficiale è bilanciata dal peso del liquido all'altezza h. La componente verticale della forza di tensione superficiale è:
F = γ 2 π r cos θ
Nel frattempo, il peso del liquido nel tubo capillare è:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ ( π r 2 h ) g
Quando il liquido raggiunge la sua altezza massima (h), la componente verticale della forza di tensione superficiale deve essere uguale al peso del liquido nel tubo capillare. Matematicamente, si scrive:
Questa è l'equazione che stiamo cercando. Se si desidera determinare l'altezza di una colonna di liquido, si prega di utilizzare questa equazione.
