კაპილარობა

ოდესმე გინახავთ სანთელი? იმედია, გამოიყენებთ. ერთი საინტერესო ფენომენი, რომლის შემჩნევაც შეგვიძლია სანთლის წვისას. ანთებული სანთლის ფითილის ძირი, როგორც წესი, ყოველთვის სველია გამდნარი ცვილით (ფითილზე). ფითილზე გამდნარი ცვილის არსებობა ნიშნავს, რომ სანთელს დიდი ხნის განმავლობაში შეუძლია წვა. რა იწვევს გამდნარი ცვილის ზემოთ გადაადგილებას ანთებული სანთლის ფითილისკენ? იგივე ფენომენს შეგვიძლია დავაკვირდეთ ჩირაღდნებში.

ჩვენს ცხოვრებაში ბევრი საინტერესო რამ ჰგავს სანთლებსა და ნავთის ნათურებში მიმდინარე მოვლენებს. თითქოს სითხეს ფეხები აქვს, რაც მას ზემოთ მოძრაობის საშუალებას აძლევს. შეგიძლიათ ამის მეცნიერულად ახსნა? ერთ-ერთი ფიზიკური კონცეფცია, რომელსაც შეუძლია ახსნას სანთლებში, ნავთის ნათურებსა და სხვა მრავალ მასთან დაკავშირებულ მოვლენაში მიმდინარე მოვლენები, არის კაპილარობა.

თანმიმდევრული და ადჰეზიური ძალები

შეერთება არის ერთი და იმავე ნივთიერების მოლეკულებს შორის მიმზიდველი ძალა, ხოლო სხვადასხვა ნივთიერების მოლეკულებს შორის მიმზიდველ ძალას ადჰეზია ეწოდება. მაგალითად, თუ წყალს ჭიქაში ჩავასხამთ, შეერთება ხდება მაშინ, როდესაც წყლის მოლეკულები ერთმანეთს იზიდავენ, ხოლო ადჰეზია ხდება მაშინ, როდესაც წყლის მოლეკულები და მინის მოლეკულები ერთმანეთს იზიდავენ.

კონტაქტის კუთხე

კაპილარობის ცნების შესწავლამდე, ჯერ უნდა გავიგოთ, თუ როგორ მოქმედებს წებოვანი და შეკრული ძალები კაპილარობაზე. მაგალითად, განვიხილოთ სითხე ჭიქაში. როდესაც სითხის მოლეკულების შეკრული ძალები უფრო ძლიერია, ვიდრე წებოვანი ძალები (თხევადის მოლეკულებსა და მინის მოლეკულებს შორის მიზიდულობის ძალები), სითხის ზედაპირი ზემოთ მოიხრება. ამის მაგალითია, როდესაც წყალი ჭიქაშია. ჩვეულებრივ ამბობენ, რომ წყალი ასველებს მინის ზედაპირს. პირიქით, თუ წებოვანი ძალები უფრო ძლიერია, სითხის ზედაპირი ქვემოთ მოიხრება. მაგალითად, როდესაც ვერცხლისწყალი ჭიქაშია.

მრუდის მიერ წარმოქმნილ კუთხეს შეხების კუთხე ეწოდება. როდესაც სითხის შეერთების ძალა მეტია წებოვნების ძალაზე, წარმოქმნილი შეხების კუთხე, როგორც წესი, 90°-ზე ნაკლებია.^o (სურათი a). პირიქით, თუ ადჰეზიის ძალა მეტია სითხის ადჰეზიის ძალაზე, მაშინ წარმოქმნილი კონტაქტის კუთხე 90°-ზე მეტია.^o (სურათი b). ადჰეზიისა და შეკავშირების ძალების თეორიულად გამოთვლა რთულია, მაგრამ შეხების კუთხის გაზომვა შესაძლებელია. რა კავშირია კაპილარულობასთან?

კაპილარობის კონცეფცია

თუ სითხის შეერთების ძალა მეტია წებოვნების ძალაზე, სითხის ზედაპირი ზემოთ მოიხრება. როდესაც ჩავდებთ თხელ მილს ან მილს (მილს, რომლის დიამეტრი კონტეინერზე პატარაა), წარმოიქმნება სითხის უფრო მაღალი მონაკვეთი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კონტეინერში არსებული სითხე მილის სვეტის გავლით ამოდის. ეს იმიტომ ხდება, რომ მილის კედლის გასწვრივ მთლიანი ზედაპირული დაჭიმულობის ძალა ზემოთ მოქმედებს. მაქსიმალური სიმაღლე, რომელსაც სითხე შეიძლება მიაღწიოს, არის მაშინ, როდესაც ზედაპირული დაჭიმულობის ძალა ტოლია ან ტოლია მილში არსებული სითხის წონისა. ამიტომ, სითხეს შეუძლია ასვლა მხოლოდ იმ სიმაღლემდე, სადაც ზედაპირული დაჭიმულობის ძალა დაბალანსებულია მილში არსებული სითხის წონით.

პირიქით, თუ წებოვანი ძალა მეტია სითხის შეკავშირების ძალაზე, სითხის ზედაპირი ქვემოთ მოიხრება. როდესაც თხელ მილს ან მილს ჩავდებთ (მილი, რომლის დიამეტრი კონტეინერზე პატარაა), სითხის ქვედა ნაწილი წარმოიქმნება (იხილეთ ქვემოთ მოცემული სურათი).

ეს ეფექტი ცნობილია როგორც კაპილარული მოძრაობა, ანუ კაპილარულობა და ამ თხელ მილებს კაპილარულ მილებს უწოდებენ. აღსანიშნავია, რომ ჩვენს ყველაზე პატარა სისხლძარღვებს ასევე შეიძლება კაპილარული მილები ვუწოდოთ, რადგან ამ პაწაწინა სისხლძარღვებში სისხლის მიმოქცევა ასევე კაპილარული ეფექტის გამო ხდება. ანალოგიურად, აშკარაა ფითილის მეშვეობით ცვილის ან ნავთის დნობის ფენომენი. გარდა ამისა, ითვლება, რომ კაპილარულობა სასიცოცხლო როლს ასრულებს წყლისა და საკვები ნივთიერებების ფესვებიდან ფოთლებამდე გადაადგილებაში პაწაწინა ქსილემის ჭურჭლების მეშვეობით. კაპილარულობის გარეშე, ნიადაგის ზედაპირი წვიმის ან მორწყვისთანავე გაშრებოდა. კაპილარულობის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ეფექტია წყლის შეკავება ნიადაგის ნაწილაკებს შორის არსებულ ნაპრალებში.

კაპილარულობის განტოლება

როგორ შეგვიძლია განვსაზღვროთ კაპილარული მილის სვეტში წყლის აწევის სიმაღლე? სითხე სვეტში თითქოს მაღლა იწევს. კაპილარული მილი, რომლის რადიუსი r მიმართულია სიმაღლეზე h-მდე. ძალა, რომელიც მნიშვნელოვან როლს ასრულებს სითხის h სიმაღლეზე შეკავებაში, არის ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის კომპონენტი ვერტიკალური მიმართულებით: F cos theta.

კაპილარული მილის ზედა ნაწილი ღიაა, ამიტომ სითხის ზედაპირზე ატმოსფერული წნევა მოქმედებს. სითხესა და მილს შორის შეხების ზედაპირის სიგრძეა 2 phi r (წრის გარშემოწერილობა). შესაბამისად, შეხების ზედაპირზე მოქმედი ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის ვერტიკალური კომპონენტის სიდიდეა:

თუ სითხის ზედაპირის აღმავალი მრუდი იგნორირებულია, მაშინ მილში სითხის მოცულობა იქნება:

სითხის მოცულობა = მილის ზედაპირის ფართობი x სითხის სიმაღლე

V = A h

V = (π r²) სთ

თუ ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის ვერტიკალური კომპონენტი დაბალანსებულია კაპილარულ მილში სითხის სვეტის წონასთან, მაშინ სითხე ვეღარ აიწევს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სითხე მიაღწევს მაქსიმალურ სიმაღლეს, როდესაც ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის ვერტიკალური კომპონენტი დაბალანსებულია სითხის წონასთან h სიმაღლეზე. ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის ვერტიკალური კომპონენტია:

F = γ 2 π r cos θ

ამავდროულად, კაპილარულ მილში სითხის წონაა:

w = მგ

w = ρ V g

w = ρ ( π r² ჰ) გ

როდესაც სითხე მაქსიმალურ სიმაღლეს (h) აღწევს, ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის ვერტიკალური კომპონენტი კაპილარულ მილში არსებული სითხის წონის ტოლი უნდა იყოს. მათემატიკურად, ასე იწერება:

ეს არის განტოლება, რომელსაც ვეძებთ. თუ გსურთ სითხის სვეტის სიმაღლის განსაზღვრა, გთხოვთ, გამოიყენოთ ეს განტოლება.