Umewahi kucheza viputo vya sabuni? Viputo vya sabuni vya mviringo. Vinachekesha. Vinaweza kupuliziwa. Baada ya kuruka, viputo vya sabuni hupasuka. Lo, ni mchezo wa kufurahisha, wa utotoni. Kwa nini viputo vya sabuni ni vya mviringo?
Tafadhali amka asubuhi, kisha angalia majani yanayozunguka nyumba. Angalia matone ya umande yaliyounganishwa na majani. Ni ajabu; matone ya umande ni ya mviringo. Inawezaje kuwa hivyo?
Mvutano wa uso hutokea kwa sababu uso wa kioevu huelekea kukazwa ili uso uonekane kama utando mwembamba. Hii huathiriwa na nguvu ya mshikamano kati ya molekuli za maji. Ili kuelewa vyema maelezo haya, fikiria kielelezo kifuatacho. Tunapitia kioevu kilicho kwenye chombo.
Ndani ya kioevu, kila molekuli ya kioevu imezungukwa na molekuli zingine kila upande; lakini juu ya uso wa kioevu, kuna molekuli za kioevu tu chini. Juu, hakuna molekuli zingine za kioevu. Kwa sababu molekuli ya kioevu huvutiana, kuna nguvu kamili ya sifuri katika molekuli iliyo ndani ya kioevu. Kwa upande mwingine, molekuli za kioevu zilizo juu ya uso huvutwa na chembe za kioevu zilizo chini. Kwa hivyo, juu ya uso wa kioevu, kuna nguvu kamili inayoelekezwa chini. Kwa sababu ya nguvu halisi inayoshuka chini, kioevu kilicho juu ya uso huelekea kupunguza eneo lake la uso, kwa kupungua kwa nguvu iwezekanavyo.
Hii husababisha safu ya kioevu kwenye uso kuonekana kana kwamba imefunikwa na utando mwembamba wa elastic. Jambo hili linajulikana kama Mvutano wa Uso.
Kipini kinapowekwa kwa uangalifu juu ya uso wa maji, molekuli za maji zilizo juu ya uso hushinikizwa kidogo na mvuto wa kipini, ili molekuli za maji zilizo chini zitoe nguvu ya kurejesha ili kuunga mkono kipini.
Kwa kweli, si vibandiko au vibandiko vya karatasi tu, bali pia vitu vingine kama sindano. Tukiweka sindano kwa uangalifu juu ya uso wa maji, sindano itaelea. Mvutano wa uso wa kioevu pia ndio sababu wadudu wanaweza kuelea juu ya maji.
Mlinganyo wa Mvutano wa Uso
Katika majadiliano yaliyopita, tumesoma dhana ya mvutano wa uso kwa ubora (hakuna mlinganyo wa hisabati). Sasa tunapitia mvutano wa uso kwa kiasi. Ili kutusaidia kupata mlinganyo wa mvutano wa uso, tunaangalia waya uliopinda ili kuunda herufi U. Waya mwingine ulionyooka umeunganishwa kwenye miguu miwili ya waya wa U, ambapo waya ulionyooka unaweza kusogezwa.
Ikiwa waya huu utaingizwa kwenye sabuni, basi baada ya kuuondoa utaunda safu ya maji ya sabuni juu ya uso wa waya. Ni kama unapocheza viputo vya sabuni. Kwa sababu waya ulionyooka unaweza kusogezwa na uzito si mkubwa sana, safu ya maji ya sabuni itatoa nguvu ya mvutano wa uso kwenye waya ulionyooka ili waya uelekee juu moja kwa moja. Ili kuzuia waya ulionyooka usisogee (waya uko katika usawa), nguvu ya kushuka inahitajika, ambapo kiasi cha nguvu jumla ni F = w + T. Katika usawa, F = nguvu ya mvutano wa uso inayobebwa na safu ya sabuni kwenye waya ulionyooka.
Tuseme urefu wa waya ulionyooka ni l. Kwa sababu safu ya maji ya sabuni inayogusa waya ulionyooka ina nyuso mbili, nguvu ya mvutano wa uso inayozalishwa na safu ya maji ya sabuni hufanya kazi pamoja na lita 2. Mvutano wa uso katika safu ya sabuni ni ulinganisho kati ya Nguvu ya Mvutano wa Uso (F) na urefu wa uso ambao nguvu hiyo inafanya kazi (d). Katika hali hii, urefu wa uso ni lita 2. Kihisabati, imeandikwa:
Kwa sababu mvutano wa uso ni uwiano kati ya nguvu na urefu wa mvutano wa uso, kitengo cha mvutano wa uso ni Newton kwa mita (N/m) au dyne kwa sentimita (dynes/cm).
Zifuatazo ni baadhi ya thamani za Mvutano wa Uso zilizopatikana kulingana na majaribio.
Kulingana na data ya Mvutano wa Uso, halijoto huathiri thamani ya mvutano wa uso wa umajimaji. Kwa ujumla kunapokuwa na ongezeko la halijoto, thamani ya mvutano wa uso hupungua (Linganisha mvutano wa uso wa maji katika kila halijoto. Tazama jedwali). Hii ni kwa sababu halijoto inapoongezeka, molekuli za kimiminika husogea kwa kasi zaidi ili athari ya mwingiliano kati ya molekuli za kimiminika ipungue. Kutokana na thamani ya mvutano wa uso pia ilipungua.
Matumizi ya Dhana za Mvutano wa Uso katika maisha ya kila siku
Umewahi kuuliza, kwa nini tufue nguo kwa sabuni? Tatizo ni kwamba nguo tunazofua ni safi sana; maji lazima yapite kwenye nafasi nyembamba sana katika nyuzi za nguo. Kwa sababu hii, ni muhimu kuongeza eneo la uso wa maji. Naam, hili ni gumu sana kufanya hivyo kwa sababu ya mvutano wa uso. Bila shaka thamani ya mvutano wa uso lazima ipunguzwe kwanza. Tunaweza kupunguza mvutano wa uso kwa kutumia maji ya moto. Kadiri halijoto ya maji inavyokuwa juu, ndivyo bora zaidi kwa sababu, kadiri halijoto ya maji inavyokuwa juu, ndivyo mvutano wa uso unavyokuwa mdogo (tazama jedwali). Huu ni njia mbadala ya kwanza na ni njia isiyotumika sana. Chaguo jingine ni kutumia sabuni.
Katika halijoto ya 20 o C, thamani ya mvutano wa uso wa maji ya sabuni ni 25.00 mN/m. Jaribu kulinganisha kati ya sabuni na maji ya moto, ni ipi thamani ndogo zaidi ya mvutano wa uso? Katika 100 o C, thamani ya mvutano wa uso wa maji ya moto = 58.90. Katika halijoto ya 20 o C, thamani ya mvutano wa uso wa sabuni ni 25.00 mN/m. Ni faida zaidi kutumia sabuni. Kinachoelezwa hapo juu ni moja tu ya sababu zinazoathiri?
Kwa nini sabuni au maji yana umbo la mviringo?
Viputo vya sabuni au matone ya maji ni mviringo kwa sababu huathiriwa na mvutano wa uso. Kwanza, tunajadili viputo vya sabuni. Viputo vya sabuni vina utando mwembamba mbili juu ya uso na kati yake kuna tabaka nyembamba za maji.
Uwepo wa mvutano wa uso husababisha utando kusinyaa na huelekea kupunguza eneo lake la uso. Wakati utando wa maji ya sabuni unaposinyaa na kujaribu kupunguza eneo lake la uso, kuna tofauti katika shinikizo la hewa nje ya utando (shinikizo la anga) na shinikizo la hewa ndani ya safu. Shinikizo la hewa lililo nje ya safu (shinikizo la anga) pia husukuma utando wa maji ya sabuni wakati unasinyaa kwa sababu shinikizo la hewa ndani ya utando ni dogo.
Baada ya utando kusinyaa, hewa iliyo ndani (hewa iliyonaswa kati ya utando huo miwili) hukandamizwa, na kuongeza shinikizo la hewa ndani ya safu hadi hakuna kusinyaa. Kwa maneno mengine, wakati hakuna kusinyaa tena, kiasi cha shinikizo la hewa kati ya utando ni sawa na shinikizo la angahewa + nguvu ya mvutano wa uso unaokunja safu.
Vipi kuhusu matone ya umande au matone ya maji yanayotoka kwenye bomba? Vivyo hivyo kwa sababu chanzo kikuu ni mvutano wa uso. Ikiwa viputo vya sabuni vina utando mwembamba mbili kwenye nyuso mbili, basi matone ya maji yana safu moja nyembamba tu, ambayo iko nje ya matone ya maji. Ndani imejaa maji. Kutokana na nguvu ya mshikamano, mvutano wa uso hutokea. Sehemu ya nje ya tone la maji huvutwa ndani. Matokeo yake, maji huganda na huelekea kupunguza eneo lake la uso. Shinikizo la angahewa lililo nje pia hukandamiza matone ya maji. Mvutano utasimama wakati shinikizo ndani ya maji ni sawa na shinikizo la angahewa + nguvu ya mvutano wa uso unaobana utando wa maji.
