Heb je ooit een kaars gezien? Hopelijk gebruik je er wel eens een. Een interessant fenomeen dat we kunnen waarnemen wanneer een kaars brandt: de onderkant van een brandende kaarslont is meestal altijd nat van gesmolten kaarsvet (op de lont). De aanwezigheid van gesmolten kaarsvet op de lont zorgt ervoor dat de kaars lang kan branden. Wat zorgt ervoor dat het gesmolten kaarsvet omhoog beweegt naar de brandende kaarslont? We kunnen hetzelfde fenomeen waarnemen bij fakkels.
Veel interessante dingen in ons leven lijken op de verschijnselen die zich voordoen bij kaarsen en olielampen. Het is alsof de vloeistof 'pootjes' heeft, waardoor hij omhoog kan bewegen. Kun je dit wetenschappelijk verklaren? Een natuurkundig concept dat de verschijnselen bij kaarsen, olielampen en vele andere soortgelijke verschijnselen kan verklaren, is capillaire werking.
Cohesie- en adhesiekrachten
Cohesie is de aantrekkingskracht tussen moleculen van dezelfde stof, terwijl de aantrekkingskracht tussen moleculen van verschillende stoffen adhesie wordt genoemd. Als we bijvoorbeeld water in een glas gieten, treedt cohesie op wanneer watermoleculen elkaar aantrekken, terwijl adhesie optreedt wanneer watermoleculen en glasmoleculen elkaar aantrekken.
Contacthoek
Voordat we dieper ingaan op het concept van capillaire werking, moeten we eerst begrijpen hoe adhesie- en cohesiekrachten capillaire werking beïnvloeden. Neem bijvoorbeeld een vloeistof in een glas. Wanneer de cohesiekrachten van de vloeistofmoleculen sterker zijn dan de adhesiekrachten (de aantrekkingskrachten tussen de vloeistofmoleculen en de glasmoleculen), zal het vloeistofoppervlak naar boven buigen. Een voorbeeld hiervan is water in een glas. Men zegt vaak dat water het oppervlak van het glas bevochtigt. Omgekeerd, als de adhesiekrachten sterker zijn, zal het vloeistofoppervlak naar beneden buigen. Bijvoorbeeld wanneer kwik in een glas zit.
De hoek die door de kromming wordt gevormd, wordt de contacthoek genoemd. Wanneer de cohesiekracht van de vloeistof groter is dan de adhesiekracht, is de gevormde contacthoek over het algemeen kleiner dan 90°.o (afbeelding a). Omgekeerd geldt dat als de adhesiekracht groter is dan de cohesiekracht van de vloeistof, de gevormde contacthoek groter is dan 90°.o (figuur b). Adhesie- en cohesiekrachten zijn theoretisch moeilijk te berekenen, maar de contacthoek kan wel worden gemeten. Wat is het verband met capillaire werking?
Het concept van capillaire werking
Als de cohesiekracht van een vloeistof groter is dan de adhesiekracht, zal het vloeistofoppervlak naar boven buigen. Wanneer we een dunne buis of pijp (een pijp met een kleinere diameter dan de container) inbrengen, zal er een hoger vloeistofniveau ontstaan. Met andere woorden, de vloeistof in de container stijgt door de kolom in de pijp. Dit komt doordat de totale oppervlaktespanning langs de buiswand naar boven werkt. De maximale hoogte die een vloeistof kan bereiken, is wanneer de oppervlaktespanning gelijk is aan of gelijk is aan het gewicht van de vloeistof in de pijp. De vloeistof kan dus slechts tot een hoogte stijgen waar de oppervlaktespanning in evenwicht is met het gewicht van de vloeistof in de pijp.
Omgekeerd, als de adhesiekracht groter is dan de cohesiekracht van de vloeistof, zal het vloeistofoppervlak naar beneden buigen. Wanneer we een dunne buis of pijp (een pijp met een kleinere diameter dan de container) inbrengen, zal er een lager vloeistofniveau ontstaan (zie de afbeelding hieronder).
Dit effect staat bekend als capillaire beweging, of capillaire werking, en deze dunne buisjes worden capillaire buisjes genoemd. Het is belangrijk om te weten dat onze kleinste bloedvaten ook capillaire buisjes genoemd kunnen worden, aangezien de bloedcirculatie in deze minuscule vaten eveneens te danken is aan het capillaire effect. Hetzelfde geldt voor het fenomeen van smeltende was of kerosine die door een lont omhoog stijgt. Bovendien speelt capillaire werking naar verluidt een essentiële rol bij het transport van water en voedingsstoffen van de wortels naar de bladeren via de kleine xyleemvaten. Zonder capillaire werking zou het bodemoppervlak direct na regen of irrigatie uitdrogen. Een ander belangrijk effect van capillaire werking is het vasthouden van water in de ruimtes tussen de bodemdeeltjes.
Capillaire vergelijking
Hoe kunnen we de hoogte bepalen van water dat door een capillaire kolom stijgt? De vloeistof lijkt in de kolom omhoog te stijgen. 
Een capillair buisje heeft een straal r en een hoogte h. De kracht die de vloeistof op hoogte h houdt, is de component van de oppervlaktespanningskracht in verticale richting: F cos theta.
De bovenkant van de capillaire buis is open, waardoor de atmosferische druk op het vloeistofoppervlak wordt uitgeoefend. De lengte van het contactoppervlak tussen de vloeistof en de buis is 2πr (de omtrek van de cirkel). De grootte van de verticale component van de oppervlaktespanningskracht die langs het contactoppervlak werkt, is daarom:
Als de opwaartse kromming van het vloeistofoppervlak wordt genegeerd, dan is het volume vloeistof in de pijp:
Volume van de vloeistof = Oppervlakte van de pijp x Hoogte van de vloeistof
V = A h
V = (π r 2 ) h
Als de verticale component van de oppervlaktespanningskracht in evenwicht is met het gewicht van de vloeistofkolom in de capillaire buis, kan de vloeistof niet verder stijgen. Met andere woorden, de vloeistof bereikt zijn maximale hoogte wanneer de verticale component van de oppervlaktespanningskracht in evenwicht is met het gewicht van de vloeistof op hoogte h. De verticale component van de oppervlaktespanningskracht is:
F = γ 2 π r cos θ
Het gewicht van de vloeistof in de capillaire buis is ondertussen:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ ( π r 2 h ) g
Wanneer de vloeistof zijn maximale hoogte (h) bereikt, moet de verticale component van de oppervlaktespanningskracht gelijk zijn aan het gewicht van de vloeistof in de capillaire buis. Mathematisch wordt dit als volgt geschreven:
Dit is de vergelijking die we zoeken. Als je de hoogte van een vloeistofkolom wilt bepalen, gebruik dan deze vergelijking.
