Kuelewa Mvutano wa Uso
Mvutano wa uso hutokea kwa sababu uso wa kioevu huelekea kuwa mgumu, na kuunda mwonekano mwembamba kama utando. Hii huathiriwa na nguvu za mshikamano kati ya molekuli za maji. Ili kuelewa vyema maelezo haya, fikiria mfano ufuatao. Hebu tufikirie kioevu kwenye chombo.
Molekuli za kimiminika kwa kawaida huvutiana. Ndani ya kimiminika, kila molekuli ya kimiminika huzungukwa na molekuli zingine kila upande; lakini kwenye uso wa kimiminika, kuna molekuli za kimiminika tu pande na chini. Hakuna molekuli zingine za kimiminika hapo juu. Kwa sababu molekuli za kimiminika huvutiana, kuna nguvu halisi ya sifuri kwenye molekuli zilizo ndani ya kimiminika. Kinyume chake, molekuli za kimiminika kwenye uso huvutiwa na molekuli za kimiminika pande na chini. Kwa hivyo, kuna nguvu halisi kwenye uso wa kimiminika ambayo huelekezwa chini. Kwa sababu ya nguvu hii halisi kushuka, kimiminika kwenye uso huelekea kupunguza eneo lake la uso, na kupungua iwezekanavyo.
Hii husababisha safu ya kioevu kwenye uso kuonekana kana kwamba imefunikwa na utando mwembamba wa elastic.
Kipini kinapowekwa kwa uangalifu juu ya uso wa maji, molekuli za maji zilizo juu ya uso hushinikizwa kidogo na mvuto klipu, ili molekuli za maji zilizo chini zitoe nguvu ya kurejesha juu ili kuunga mkono klipu (kumbuka tena unyumbufu na sheria ya Hooke).
Kwa kweli, vishikio vya karatasi si kitu pekee unachoweza kutumia; vinaweza pia kuwa vitu vingine kama sindano. Ukiweka sindano kwa uangalifu juu ya uso wa maji, itaelea. Hii pia ndiyo sababu wadudu wanaweza kuelea juu ya maji.
Mlinganyo wa Mvutano wa Uso
Ili kutusaidia kupata mlinganyo wa mvutano wa uso, tunazingatia waya ambao umepinda katika umbo la U. Waya mwingine ulionyooka umeunganishwa kwenye miguu miwili ya waya wa U, ambapo waya ulionyooka unaweza kusogezwa.
Ikiwa waya huu utawekwa kwenye mchanganyiko wa sabuni, basi baada ya kuondolewa safu ya maji ya sabuni itaunda juu ya uso wa waya. Sawa na unapocheza viputo vya sabuni. Kwa sababu waya iliyonyooka inaweza kusogezwa na uzito wake si mkubwa sana, safu ya maji ya sabuni itatoa nguvu ya mvutano wa uso kwenye waya iliyonyooka ili waya iliyonyooka isonge juu (kumbuka mwelekeo wa mshale). Ili kuzuia waya iliyonyooka isisonge (waya iko katika usawa), nguvu ya jumla inahitajika ambayo inaelekezwa chini, ambapo ukubwa wa nguvu ya jumla ni F = w + T. Katika usawa, F = nguvu inayotolewa na safu ya maji ya sabuni kwenye waya iliyonyooka.
Tuseme urefu wa waya ulionyooka ni l. Kwa kuwa safu ya maji ya sabuni inayogusa waya ulionyooka ina nyuso mbili, nguvu inayozalishwa na safu ya maji ya sabuni hufanya kazi kwa urefu wa 2l. Mvutano wa uso kwenye safu ya sabuni ni uwiano kati ya Nguvu (F) na urefu wa uso ambao nguvu hufanya kazi juu yake (d). Kwa hali hii, urefu wa uso ni 2l. Kihisabati, imeandikwa:
Kwa sababu mvutano wa uso ni uwiano wa nguvu kwa urefu wa kitengo, vitengo ni Newton kwa mita (N/m) au dyne kwa sentimita (dyn/cm).
Zifuatazo ni baadhi ya thamani za Mvutano wa Uso zilizopatikana kulingana na majaribio.
Kulingana na data hapo juu, inaonekana kwamba halijoto huathiri mvutano wa uso wa umajimaji. Kwa ujumla, kadri halijoto inavyoongezeka, thamani hupungua. Hii ni kwa sababu kadri halijoto inavyoongezeka, molekuli za kimiminika husogea kwa kasi zaidi, na kupunguza mwingiliano kati ya molekuli za kimiminika. Kwa hivyo, thamani ya mvutano wa uso pia hupungua.
Matumizi katika maisha ya kila siku
Umewahi kujiuliza kwa nini tunaosha nguo kwa sabuni? Tatizo ni kwamba, ili kupata nguo safi kweli, maji lazima yapite kwenye mapengo nyembamba sana kwenye nyuzi. Hii inahitaji kuongeza eneo la uso wa maji. Hii ni vigumu sana kufanikisha kutokana na mvutano wa uso. Tupende tusipende, mvutano wa uso wa maji lazima upunguzwe kwanza. Tunaweza kupunguza mvutano wa uso kwa kutumia maji ya moto. Kadiri halijoto ya maji inavyokuwa juu, ndivyo bora zaidi, kadri halijoto ya maji inavyokuwa juu, ndivyo mvutano wa uso unavyopungua (tazama jedwali). Huu ni mbadala wa kwanza na hautumiki sana, isipokuwa kwa wale wanaopenda kucheza na maji ya moto. Njia nyingine ni kutumia sabuni.
Katika halijoto ya nyuzi joto 20 oC, thamani ya mvutano wa uso wa maji ya sabuni ni 25,00 mN/m. Jaribu kulinganisha maji ya sabuni na maji ya moto, ni ipi yenye thamani ndogo zaidi? Kwa 100 oC, thamani ya mvutano wa uso wa maji ya moto = 58,90. Katika halijoto ya 20 oC, mvutano wa uso wa maji ya sabuni ni 25,00 mN/m. Kutumia sabuni kuna faida zaidi… maji pia si moto. Kuna mambo mengine yanayoathiri jinsi nguo au miili yetu inavyoweza kusafishwa kwa sabuni. Kwa hivyo, yaliyo hapo juu ni jambo moja tu.
Kwa nini sabuni au maji yana viputo vya mviringo?
Viputo vya sabuni, au matone ya maji, vina umbo la duara kutokana na mvutano wa uso. Hebu kwanza tujadili viputo vya sabuni. Viputo vya sabuni vina utando mwembamba miwili juu ya uso wake, na safu nyembamba ya maji kati yake.
Mvutano wa uso husababisha utando kusinyaa, na hivyo kupunguza eneo lake la uso. Wakati utando wa maji ya sabuni unaposinyaa na kujaribu kupunguza eneo lake la uso, tofauti ya shinikizo la hewa hutokea kati ya nje ya utando (shinikizo la anga) na ndani ya utando. Shinikizo la hewa nje ya utando (shinikizo la anga) pia husukuma utando wa maji ya sabuni unaposinyaa, kwa sababu shinikizo la hewa ndani ya utando ni la chini.
Baada ya utando kusinyaa, hewa iliyo ndani (hewa iliyonaswa kati ya utando huo mbili) pia hubanwa, na kuongeza shinikizo la hewa ndani ya utando hadi kusinyaa kutakapokoma. Kwa maneno mengine, kusinyaa kutakapokoma, shinikizo la hewa kati ya utando huo ni sawa na shinikizo la angahewa + nguvu ya mvutano wa uso inayosinyaa utando.
Kwa hivyo vipi kuhusu matone ya umande au matone ya maji yanayotoka kwenye bomba? Kimsingi ni sawa, kwani chanzo kikuu ni mvutano wa uso. Ingawa kiputo cha sabuni kina utando mwembamba miwili kwenye nyuso zake mbili, tone la maji lina utando mmoja mwembamba tu, nje ya tone. Ndani hujazwa maji. Sehemu ya nje ya tone huvutwa ndani. Matokeo yake, maji huganda, na kupunguza eneo lake la uso. Shinikizo la angahewa la nje pia husaidia kubana tone la maji. Mkazo husimama wakati shinikizo ndani ya maji linalingana na shinikizo la angahewa pamoja na nguvu inayogandamiza utando wa maji.
