Hai mai giocato con le bolle di sapone? Le bolle di sapone sono rotonde. Divertenti. Si possono soffiare. Dopo aver volato, le bolle di sapone scoppiano. Wow, è divertente, un gioco dell'infanzia. Perché le bolle di sapone sono rotonde?
Per favore, svegliati al mattino e osserva le foglie intorno alla casa. Guarda le goccioline di rugiada attaccate alle foglie. È strano; le gocce di rugiada sono rotonde. Com'è possibile?
La tensione superficiale si verifica perché la superficie del liquido tende a restringersi, assumendo l'aspetto di una sottile membrana. Questo fenomeno è influenzato dalla forza di coesione tra le molecole d'acqua. Per comprendere meglio questa spiegazione, si consideri la seguente illustrazione. Osserviamo il liquido contenuto in un recipiente.
All'interno del liquido, ogni molecola è circondata da altre molecole su entrambi i lati; sulla superficie del liquido, invece, ci sono solo molecole di liquido al di sotto. In superficie non ci sono altre molecole di liquido. Poiché le molecole di liquido si attraggono a vicenda, la forza totale che agisce sulle molecole all'interno del liquido è pari a zero. Al contrario, le molecole di liquido situate sulla superficie sono attratte dalle particelle di fluido che si trovano sul fondo. Di conseguenza, sulla superficie del liquido agisce una forza totale diretta verso il basso. A causa di questa forza netta verso il basso, il liquido presente sulla superficie tende a ridurre la propria area superficiale, contraendosi il più possibile.
Ciò fa sì che lo strato liquido sulla superficie appaia come se fosse ricoperto da una sottile membrana elastica. Questo fenomeno è noto come tensione superficiale.
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Quando la clip viene posizionata con cura sulla superficie dell'acqua, le molecole d'acqua presenti in superficie vengono leggermente compresse dalla forza di gravità della clip, in modo che le molecole d'acqua sottostanti esercitino una forza di richiamo verso l'alto per sostenere la clip.
In realtà, non si tratta solo di graffette o fermagli, ma anche di altri oggetti come gli aghi. Se posizioniamo con attenzione un ago sopra la superficie dell'acqua, questo galleggerà. La tensione superficiale del liquido è anche il motivo per cui gli insetti riescono a galleggiare sull'acqua.
L'equazione della tensione superficiale
Nella discussione precedente, abbiamo studiato il concetto di tensione superficiale in modo qualitativo (non esiste un'equazione matematica). Ora esaminiamo la tensione superficiale in modo quantitativo. Per aiutarci a ricavare l'equazione della tensione superficiale, consideriamo un filo piegato a formare la lettera U. Un altro filo dritto è attaccato alle due estremità del filo a U, dove il filo dritto può essere spostato.
Se questo filo viene immerso nel sapone, una volta rimosso si formerà uno strato di acqua saponata sulla sua superficie. È come quando si gioca con le bolle di sapone. Poiché il filo rettilineo può essere spostato e la sua massa non è eccessiva, lo strato di acqua saponata eserciterà una forza di tensione superficiale sul filo, spingendolo verso l'alto. Per mantenere il filo in equilibrio, è necessaria una forza totale verso il basso, la cui entità è F = w + T. In equilibrio, F = la forza di tensione superficiale esercitata dallo strato di sapone sul filo rettilineo.
Supponiamo che la lunghezza di un filo rettilineo sia l. Poiché lo strato di acqua saponata che tocca il filo rettilineo ha due superfici, la forza di tensione superficiale generata dallo strato di acqua saponata agisce lungo 2l. La tensione superficiale nello strato di sapone è data dal confronto tra la forza di tensione superficiale (F) e la lunghezza della superficie su cui agisce la forza (d). In questo caso, la lunghezza della superficie è 2l. Matematicamente, si scrive:
Poiché la tensione superficiale è il rapporto tra la forza di tensione superficiale e la lunghezza, l'unità di misura della tensione superficiale è il Newton per metro (N/m) o la dina per centimetro (dine/cm).
Di seguito sono riportati alcuni valori di tensione superficiale ottenuti sperimentalmente.
In base ai dati sulla tensione superficiale, la temperatura influenza il valore della tensione superficiale del fluido. Generalmente, all'aumentare della temperatura, il valore della tensione superficiale diminuisce (confronta la tensione superficiale dell'acqua a ciascuna temperatura. Vedi tabella). Questo perché, con l'aumento della temperatura, le molecole del liquido si muovono più velocemente, riducendo l'effetto dell'interazione tra le molecole del fluido. Di conseguenza, anche il valore della tensione superficiale diminuisce.
Applicazione dei concetti di tensione superficiale nella vita quotidiana
Vi siete mai chiesti perché dovremmo lavare i vestiti con il sapone? Il problema è che i vestiti che laviamo sono davvero puliti; l'acqua deve passare attraverso uno spazio molto ristretto tra le fibre del tessuto. Per questo motivo, è necessario aumentare la superficie di contatto dell'acqua con il tessuto. Ebbene, questo è molto difficile da fare a causa della tensione superficiale. Inevitabilmente, il valore della tensione superficiale deve prima essere abbassato. Possiamo ridurre la tensione superficiale usando acqua calda. Più alta è la temperatura dell'acqua, meglio è, perché più alta è la temperatura dell'acqua, minore è la tensione superficiale (vedi tabella). Questa è la prima alternativa ed è un metodo raramente utilizzato. Un'altra opzione è usare il sapone.
A una temperatura di 20 ° C, il valore della tensione superficiale dell'acqua saponata è di 25.00 mN/m. Prova a confrontare il sapone con l'acqua calda: qual è il valore di tensione superficiale più basso? A 100 ° C, il valore della tensione superficiale dell'acqua calda è 58.90. A una temperatura di 20 ° C, il valore della tensione superficiale del sapone è 25.00 mN/m. È più conveniente usare il sapone. Quanto spiegato sopra è solo uno dei fattori che influenzano il risultato.
Perché la bolla di sapone o d'acqua è rotonda?
Le bolle di sapone o le gocce d'acqua sono rotonde perché sono influenzate dalla tensione superficiale. Innanzitutto, parliamo delle bolle di sapone. Le bolle di sapone hanno due sottili membrane sulla superficie e tra di esse si trovano sottili strati d'acqua.
La presenza di tensione superficiale provoca la contrazione della membrana e tende a ridurne la superficie. Quando la membrana di acqua saponata si contrae e cerca di minimizzare la sua superficie, si crea una differenza tra la pressione dell'aria all'esterno della membrana (pressione atmosferica) e la pressione dell'aria all'interno dello strato. La pressione dell'aria esterna allo strato (pressione atmosferica) spinge ulteriormente la membrana di acqua saponata durante la contrazione, poiché la pressione dell'aria all'interno della membrana è inferiore.
Dopo la contrazione della membrana, l'aria al suo interno (aria intrappolata tra le due membrane) viene compressa, aumentando la pressione dell'aria all'interno dello strato fino a quando la contrazione non cessa. In altre parole, quando la contrazione si arresta, la pressione dell'aria tra le membrane è pari alla pressione atmosferica più la forza di tensione superficiale che increspa lo strato.
E che dire delle gocce di rugiada o delle gocce d'acqua che escono dal rubinetto? Lo stesso accade perché la causa principale è la tensione superficiale. Se le bolle di sapone hanno due sottili membrane su due superfici, le gocce d'acqua hanno un solo sottile strato, quello esterno. L'interno è pieno d'acqua. A causa della forza di coesione, si genera la tensione superficiale. La parte esterna della goccia d'acqua viene attratta verso l'interno. Di conseguenza, l'acqua si contrae e tende a ridurre la sua superficie. Anche la pressione atmosferica esterna contribuisce alla contrazione delle gocce d'acqua. La contrazione si arresta quando la pressione all'interno della goccia d'acqua è uguale alla pressione atmosferica più la forza di tensione superficiale che contrae la membrana dell'acqua.
