पृष्ठभाग तणाव

तुम्ही कधी साबणाचे बुडबुडे खेळला आहात का? साबणाचा बुडबुडा गोल असतो. मजेशीर. त्यात हवा भरता येते. हवेत उडल्यानंतर साबणाचे बुडबुडे फुटतात. व्वा, किती मजा येते, लहानपणीचा खेळ. साबणाचा बुडबुडा गोल का असतो?

कृपया सकाळी उठा, मग घराभोवतीच्या पानांकडे लक्ष द्या. पानांना चिकटलेल्या दवबिंदूंचे निरीक्षण करा. हे विचित्र आहे; दवबिंदू गोल असतात. हे असे कसे असू शकते?

पृष्ठभागीय ताण निर्माण होतो कारण द्रवाचा पृष्ठभाग घट्ट होण्याचा प्रयत्न करतो, ज्यामुळे तो एका पातळ पटलासारखा दिसतो. यावर पाण्याच्या रेणूंमधील संसंजन बलाचा प्रभाव असतो. हे स्पष्टीकरण अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी, खालील चित्राचा विचार करा. आपण एका पात्रातील द्रवाचे पुनरावलोकन करू.

द्रवाच्या आत, प्रत्येक द्रव रेणू दोन्ही बाजूंनी इतर रेणूंनी वेढलेला असतो; परंतु द्रवाच्या पृष्ठभागावर, फक्त खाली द्रवाचे रेणू असतात. वरच्या बाजूला, इतर कोणतेही द्रव रेणू नसतात. द्रवाचे रेणू एकमेकांना आकर्षित करत असल्यामुळे, द्रवाच्या आत असलेल्या रेणूंवर एकूण बल शून्य असते. याउलट, पृष्ठभागावर असलेले द्रवाचे रेणू तळाशी असलेल्या द्रवाच्या कणांद्वारे खेचले जातात. परिणामी, द्रवाच्या पृष्ठभागावर एक एकूण बल असते जे खालच्या दिशेने निर्देशित असते. खालच्या दिशेने असलेल्या निव्वळ बलामुळे, पृष्ठभागावरील द्रव शक्य तितके आकुंचन पावून आपले पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ कमी करण्याचा प्रयत्न करतो.

यामुळे पृष्ठभागावरील द्रवाचा थर एखाद्या पातळ लवचिक पटलाने झाकल्यासारखा दिसतो. या घटनेला पृष्ठताण असे म्हणतात.

[irp]

जेव्हा क्लिप पाण्याच्या पृष्ठभागावर काळजीपूर्वक ठेवली जाते, तेव्हा पृष्ठभागावर असलेले पाण्याचे रेणू क्लिपच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे किंचित दाबले जातात, ज्यामुळे खाली असलेले पाण्याचे रेणू क्लिपला आधार देण्यासाठी पूर्ववत होण्याचे बल देतात.

खरं तर, केवळ क्लिप्स किंवा पेपर क्लिप्सच नव्हे, तर सुईसारख्या इतर गोष्टीही तरंगतात. जर आपण सुई पाण्याच्या पृष्ठभागावर काळजीपूर्वक ठेवली, तर ती तरंगेल. द्रवाच्या पृष्ठताणामुळेच कीटकही पाण्यावर तरंगू शकतात.

पृष्ठताणाचे समीकरण

मागील चर्चेत, आपण पृष्ठताणाची संकल्पना गुणात्मक दृष्ट्या अभ्यासली आहे (याचे कोणतेही गणितीय समीकरण नाही). आता आपण पृष्ठताणाचा संख्यात्मक दृष्ट्या आढावा घेऊया. पृष्ठताणाचे समीकरण मिळवण्यासाठी, आपण 'U' अक्षराच्या आकारात वाकवलेल्या एका तारेचे उदाहरण घेऊया. 'U' आकाराच्या तारेच्या दोन्ही बाजूंना दुसरी एक सरळ तार जोडलेली असते, जिथे ती सरळ तार हलवता येते.

जर ही तार साबणामध्ये घातली, तर बाहेर काढल्यावर तारेच्या पृष्ठभागावर साबणाच्या पाण्याचा एक थर तयार होईल. हे अगदी साबणाच्या बुडबुड्यांशी खेळण्यासारखे आहे. सरळ तार हलवता येत असल्यामुळे आणि तिचे वस्तुमान फार जास्त नसल्यामुळे, साबणाच्या पाण्याचा थर सरळ तारेवर पृष्ठताण बल निर्माण करतो, ज्यामुळे तार सरळ वर जाते. सरळ तारेला हलण्यापासून थांबवण्यासाठी (म्हणजे तार समतोलावस्थेत ठेवण्यासाठी), एकूण खालील बलाची आवश्यकता असते, जिथे एकूण बलाचे प्रमाण F = w + T असते. समतोलावस्थेत, F = सरळ तारेवर साबणाच्या थराने निर्माण केलेले पृष्ठताण बल.

समजा एका सरळ तारेची लांबी l आहे. सरळ तारेला स्पर्श करणाऱ्या साबणाच्या पाण्याच्या थराला दोन पृष्ठभाग असल्यामुळे, साबणाच्या पाण्याच्या थरामुळे निर्माण होणारे पृष्ठताण बल 2l दिशेने कार्य करते. साबणाच्या थरातील पृष्ठताण म्हणजे पृष्ठताण बल (F) आणि ज्या पृष्ठभागावर ते बल कार्य करते त्या पृष्ठभागाची लांबी (d) यांच्यातील एक तुलना होय. या प्रकरणात, पृष्ठभागाची लांबी 2l आहे. गणितानुसार, हे असे लिहिले जाते:

कारण पृष्ठताण हे पृष्ठताण बल आणि लांबी यांचे गुणोत्तर आहे, म्हणून पृष्ठताणाचे एकक न्यूटन प्रति मीटर (N/m) किंवा डाइन प्रति सेंटीमीटर (dynes/cm) आहे.

प्रयोगांवर आधारित मिळालेली पृष्ठताणाची काही मूल्ये खालीलप्रमाणे आहेत.

पृष्ठताणाच्या माहितीनुसार, तापमानाचा द्रवाच्या पृष्ठताणाच्या मूल्यावर परिणाम होतो. साधारणपणे, जेव्हा तापमानात वाढ होते, तेव्हा पृष्ठताणाचे मूल्य कमी होते (प्रत्येक तापमानावर पाण्याच्या पृष्ठताणाची तुलना करा. तक्ता पहा). याचे कारण असे की, तापमान वाढल्याने द्रवाचे रेणू अधिक वेगाने फिरतात, ज्यामुळे द्रवाच्या रेणूंमधील आंतरक्रियेचा प्रभाव कमी होतो. परिणामी, पृष्ठताणाचे मूल्य देखील कमी होते.

दैनंदिन जीवनात पृष्ठताणाच्या संकल्पनांचा उपयोग

तुम्ही कधी विचारले आहे का, की आपण कपडे साबणाने का धुवावेत? समस्या अशी आहे की आपण जे कपडे धुतो ते खूप स्वच्छ असतात; पाण्याला कपड्यांच्या तंतूंमधील एका अत्यंत अरुंद फटीतून जावे लागते. या कारणास्तव, पाण्याचा पृष्ठभाग वाढवणे आवश्यक असते. पण, पृष्ठताणामुळे हे करणे खूप कठीण असते. अपरिहार्यपणे, प्रथम पृष्ठताणाचे मूल्य कमी करावे लागते. आपण गरम पाण्याचा वापर करून पृष्ठताण कमी करू शकतो. पाण्याचे तापमान जितके जास्त असेल तितके चांगले, कारण पाण्याचे तापमान जितके जास्त, तितका पृष्ठताण कमी असतो (तक्ता पहा). हा पहिला पर्याय आहे आणि क्वचितच वापरली जाणारी पद्धत आहे. दुसरा पर्याय म्हणजे साबण वापरणे.

^{२० °} C तापमानावर , साबणाच्या पाण्याच्या पृष्ठभागाचा ताण २५.०० mN/m आहे. साबण आणि गरम पाणी यांची तुलना करून पाहा, कोणाचा पृष्ठभागाचा ताण सर्वात कमी आहे? १०० ^{° C तापमानावर, गरम पाण्याच्या पृष्ठभागाच्या ताणाचे मूल्य = ५८.९०. २० °} C तापमानावर , साबणाच्या पृष्ठभागाचा ताण २५.०० mN/m आहे. साबण वापरणे अधिक फायदेशीर आहे. वर स्पष्ट केलेले घटक हे प्रभाव टाकणाऱ्या घटकांपैकी फक्त एक आहेत का?

साबणाचा किंवा पाण्याचा बुडबुडा गोल का असतो?

साबणाचे बुडबुडे किंवा पाण्याचे थेंब पृष्ठताणामुळे गोलाकार दिसतात. सर्वप्रथम, आपण साबणाच्या बुडबुड्यांबद्दल चर्चा करू. साबणाच्या बुडबुड्यांच्या पृष्ठभागावर दोन पातळ पडदे असतात आणि त्यांच्यामध्ये पाण्याचे पातळ थर असतात.

पृष्ठताणाच्या उपस्थितीमुळे पडदा आकुंचन पावतो आणि त्याचे पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ कमी करण्याचा प्रयत्न करतो. जेव्हा साबणाच्या पाण्याचा पडदा आकुंचन पावतो आणि त्याचे पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ कमी करण्याचा प्रयत्न करतो, तेव्हा पडद्याच्या बाहेरील हवेचा दाब (वातावरणीय दाब) आणि थराच्या आतील हवेचा दाब यांच्यात फरक असतो. थराच्या बाहेरील हवेचा दाब (वातावरणीय दाब) देखील साबणाच्या पाण्याच्या पडद्याला आकुंचन पावताना ढकलतो, कारण पडद्याच्या आतील हवेचा दाब कमी असतो.

पटल आकुंचन पावल्यानंतर, आतील हवा (दोन पटलांमध्ये अडकलेली हवा) दाबून टाकली जाते, ज्यामुळे थराच्या आत हवेचा दाब वाढतो आणि अखेरीस आकुंचन थांबते. दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे झाल्यास, जेव्हा आकुंचन पूर्णपणे थांबते, तेव्हा पटलांमधील हवेचा दाब हा वातावरणीय दाब अधिक थराला सुरकुत्या पाडणाऱ्या पृष्ठताणाच्या बलाच्या बेरजेइतका असतो.

मग दवबिंदू किंवा नळातून येणाऱ्या पाण्याच्या थेंबांबद्दल काय? त्याचेही तेच कारण आहे, कारण त्याचे मुख्य कारण पृष्ठताण आहे. जर साबणाच्या बुडबुड्यांवर दोन पृष्ठभागांवर दोन पातळ पडदे असतील, तर पाण्याच्या थेंबांवर फक्त एकच पातळ थर असतो, जो थेंबाच्या बाहेरील बाजूस असतो. आतला भाग पाण्याने पूर्ण भरलेला असतो. संसंजन बलामुळे पृष्ठताण निर्माण होतो. पाण्याच्या थेंबाचा बाहेरील भाग आत ओढला जातो. परिणामी, पाणी आकुंचन पावते आणि त्याचे पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ कमी करण्याचा प्रयत्न करते. बाहेरील वातावरणाचा दाब देखील पाण्याच्या थेंबांना दाबतो. जेव्हा पाण्याच्या आतील दाब हा वातावरणाचा दाब + पाण्याच्या पडद्याला आकुंचित करणाऱ्या पृष्ठताणाच्या बलाच्या बरोबर होतो, तेव्हा हे आकुंचन थांबते.