ظاهرة التوتر السطحي

ظاهرة التوتر السطحي

التوتر السطحي هو خاصية لسطح السائل تتمثل باعتبار سطح السائل غشاءً مرنًا ممتدًا، ويُمكن ملاحظة هذه الظاهرة في الشكل الكروي لقطرات السوائل الصغيرة جدًا وفي فقاعات الصابون، وبسبب هذه الخاصية يُمكن لبعض الحشرات الوقوف على سطح الماء، ويمكن أيضًا توضيح إمكانية عوم شفرة الحلاقة فوق الماء بالتوتر السطحي، فشفرة الحلاقة ستتوقف عن العوم إذا دُفعت من خلال السطح وتغرق في الماء.

يعتمد التوتر السطحي أساسًا على قوى الجذب بين أجزاء السائل المُعطى وأيضًا على الغاز الصلب أو السائل الذي يلامسها، فعلى سبيل المثال، تجذب الجزيئات الموجودة في قطرة الماء بعضها بعضًا جذبًا ضعيفًا، وقد يُعتقد أن جزيئات الماء الموجودة داخل القطرة تنجذب بالتساوي في جميع الاتجاهات بواسطة الجزيئات المحيطة، ومع ذلك إذا كانت الجزيئات السطحية للسائل يُمكن إزاحتها إلى الخارج قليلًا من السطح، فسوف تجذبها الجزيئات القريبة، ويُمكن اعتبار الطاقة المسؤولة عن ظاهرة التوتر السطحي مكافئةً تقريبًا للطاقة اللازمة لإزالة الطبقة السطحية للجزيئات في منطقة الوحدة، لذلك يمكن التعبير عن التوتر السطحي بوحدات الطاقة (جول) لكل وحدة مساحة (متر مربع)، الماء على سبيل المثال له توتر سطحي قدره 0.07275 جول لكل متر مربع عند درجة 20 مئويةً، وللمقارنة فإن السوائل العضوية مثل البنزين والكحول لهما توترات سطحية منخفضة، في حين أن الزئبق يحتوي على توتر سطحي أعلى، وتؤدي الزيادة بدرجة الحرارة لخفض القوة الصافية للجاذبية بين الجزيئات وبالتالي تقليل التوتر السطحي^[١].

أمثلة على التوتر السطحي

الأمثلة التالية هي أمثلة لظاهرة التوتر السطحي في حياتنا^[٢]:

• قطرات المياه، إذ إنه عند استخدام قطارة للمياه لا يتدفق الماء على شكل دفق متواصل بل ينزل على شكل سلسلة من القطرات المتتابعة وينتج شكل قطرة الماء بفعل ظاهرة التوتر السطحي، والسبب الوحيد لعدم كون قطرات الماء كرويةً تمامًا هو أن الجاذبية الأرضية تجذبها إلى الأسفل فتؤثر على شكلها، أما في حال عدم وجود جاذبية أرضية ستتقلص مساحة السطح لدى قطرة المياه ليقل التوتر السطحي وهو ما يؤدي لجعل القطرات دائرية الشكل تمامًا.
• وقوف بعض الحشرات على سطح المياه، إذ تستطيع العديد من الحشرات الوقوف والسير فوق الماء مثل حشرة جندب الماء، التي تقل كثافتها عن كثافة سطح الماء، الأمر الذي يؤدي لعدم تمكُّن جندب الماء من اختراق الماء.
• طفو إبرة أو ورقة على سطح المياه، فمع أن كتلتيهما أعلى من كتلة المياه إلا أن ظاهرة توتر المياه جنبًا إلى جنب مع الضغط الذي تتسببان به كفيلان بمقاومة قوة الجاذبية التي تشد المواد المعدنية نحو الأسفل.
• اختبار وجود مرض اليرقان، إذ إن البول لديه توتر سطحي يقدر بـ 66 داين لكل سنتمتر، لكن في حال الإصابة باليرقان يقل التوتر السطحي ليصل إلى 55 داين لكل سنتمتر، أما في اختبار هاي فيُنثر مسحوق الكبريت على سطح البول، إذ يطفو على البول الطبيعي في حين يغرق في البول المصاب باليرقان.
• مضادات البكتيريا هي عادةً محاليل ذات توتر سطحي منخفض، وهذا يسمح لها بالانتشار على جدران خلايا البكتيريا وتعطيلها.
• الصابون والمنظفات، تساعد هذه المنتجات في تنظيف الملابس عن طريق خفض التوتر السطحي للماء ليتسرب بسهولة أكبر إلى المسام والمناطق المتسخة.
• الغسيل بالماء البارد، السبب الرئيسي لاستخدام الماء الساخن للغسيل هو أن التوتر السطحي له يكون منخفضًا وهو عامل ترطيب أفضل أيضًا، لكن إذا كان نوع المنظّف يُقلل التوتر السطحي للماء فلا حاجة لاستخدام الماء الساخن.

فقاعات الصابون وعلاقتها بتوتر سطح المياه

عند نفخ فقاعة من الصابون تُصنع فقاعة هواء مضغوطة لها سطح رقيق ومرن مكون من مادة سائلة، ومعظم السوائل لا توفر إمكانية الحفاظ على توتر سطحي مستقر لصنع فقاعة، ولذلك فعادةً ما يُستخدم الصابون مع المياه لصنع الفقاعات، فهو يساعد على جعل توتر المياه أكثر استقرارًا من خلال ما يعرف باسم تأثير مارانجوني، وعند نفخ الفقاعة يتقلص سطحها، وهو ما يتسبب بزيادة الضغط داخل الفقاعة، ويستقر حجم الفقاعة عند مرحلة يكون فيها الغاز الموجود داخل الفقاعة غير قابل للتقلص دون نفث الفقاعة على الأقل، أما الشكل الكروي لفقاعات الصابون فهو ناتج عن تقلص مساحة سطحها إلى حد معين، والشكل الكروي هو الشكل الذي لسطحه أقل مساحة من بين جميع الأشكال^[٣].

تجارب حول التوتر السطحي

يُمكن عمل هذه التجارب حول التوتر السطحي في المنزل بإشراف أحد الوالدين^[٣]:

• قطعة نقود معدنية في كوب كامل من الماء: هذه التجربة رائعة للاستمتاع بها مع الأصدقاء، إذ يمكن سؤال الأصدقاء عن عدد القطع المعدنية التي يمكن أن يتسع لها كوب كامل من الماء قبل أن يفيض، جوابهم سيكون عمومًا واحد أو اثنين، ثم يجب اتباع الخطوات أدناه لإثبات أنه جواب خاطئ، أولًا يجب تحضير المواد اللازمة وهي: 10-12 قطعةً معدنيةً، وكوب مليء بالماء، يجب ملء الكوب بالماء حتى حافته ليتكوّن شكل محدب قليلًا على سطح السائل، ثم ببطء وبيد ثابتة تُوضع القطع المعدنية واحدةً تلو الأخرى فوق منتصف الكوب، ويجب وضع الحافة الضيقة للقطعة المعدنية في الماء وتركها لتقليل فرص خرق التوتر السطحي، ومع الاستمرار بزيادة عدد القطع النقدية، سيصبح الماء محدبًا فوق مستوى الكوب دون أن يفيض!
• الإبرة العائمة: وهي خدعة توتر سطحي أخرى تمكن الشخص من جعل إبرة تطفو على سطح كوب من الماء، أما المواد اللازمة لهذه الخدعة فهي: شوكة، وإبرة خياطة، وكوب مليء بالماء، تُوضع الإبرة على الشوكة ، ثم يجب خفضها برفق في كوب الماء، وسحب الشوكة بحذر لترك الإبرة تطفو على سطح الماء، تتطلب هذه الخدعة يدًا ثابتةً وبعض التمرين، لأنه يجب إزالة الشوكة بطريقة لا تبلل أي جزء من الإبرة، وإلا ستغرق الإبرة، ويمكن فركها بين الأصابع مسبقًا لتغطيتها بالزيت مما يزيد من فرص نجاح التجربة.
• إخماد شمعة بفقاعة الصابون: توضح هذه الخدعة مقدار القوة الناتجة عن التوتر السطحي في فقاعة الصابون، والمواد اللازمة هي: شمعة مضاءة، وقمع، وأحد أنواع المنظفات أو سائل صنع فقاقيع الصابون، يُغطّى فم القمع (الطرف الكبير منه) بمحلول التنظيف أو الفقاعة، ثم تُنفخ الفقاعة باستخدام الطرف الصغير من القمع، وبعد قليلٍ من التمرين يمكن الحصول على فقاعة كبيرة قطرها حوالي 12 بوصةً، يُوضع الإبهام على الطرف الصغير من القمع، ويُوجّه بعناية نحو الشمعة، نزيل الإبهام عن طرف القمع الصغير وسيؤدي توتر سطح فقاعة الصابون لتقلصها، وبالتالي إخراج الهواء عبر الطرف الصغير للقمع، إذ إن الهواء الخارج من الفقاعة يكون كافيًا لإخماد الشمعة.

المراجع

1. ↑ "Surface tension", britannica, Retrieved 24-11-2019. Edited.
2. ↑ "Surface Tension", usgs, Retrieved 24-11-2019. Edited.
3. ^ ^{أ ب} Andrew Zimmerman Jones (4-1-2019), "Surface Tension - Definition and Experiments"، thoughtco, Retrieved 24-11-2019. Edited.