ما هو التوتر السطحي وما الشروط الواجب توافرها لحدوثه

تتعدد الظواهر الفيزيائية التي تحدث في الطبيعة، والتي يعمل العلماء على تفسيرها منذ قديم الزمن، ومن ضمن هذه الظواهر ظاهرة التوتر السطحي، وهو ما سوف نتعرف عليه في هذا الموضوع.

كما سنتعرف على العوامل المؤثرة في التوتر السطحي، وطرق قياسه، وسوف نقوم بعرض بعض التطبيقات على هذه الظاهرة الفيزيائية.

التوتر السطحي

التوتر السطحي هو من ضمن الظواهر الفيزيائية التي تحدث نتيجة للقوة المتماسكة بين جزيئات المواد السائلة، والتي تعطيها سمة الغشاء المتماسك.

ويتأثر هذا السائل الذي يتعرض جزيئاته المتواجدة بداخله للشد القوي من جميع اتجاهاته، حتى تلغي كلًا منها الأخرى، ولكن تتأثر الجزيئات المتواجدة بسطح السائل بما هو موجود من قوى في جوانبه وفي الجهة السفلية منه، مما ينتج عن ذلك شد السطح للجهة السفلى، حتى يظهر كالغشاء.

وبشكل دقيق فالجزيئات المتواجدة بداخل المواد السائلة المختلطة تكون متأثرة بالقوى التماسكية أو بقوى التجاذب المتعلقة بالجزيء، فالجزيئات تتوطد تماسكها بالمادة.

وتقل قيم هذه القوى عن القيم الخاصة بالأجسام المتصلبة، ولذلك فإن هيئة السائل تأخذ هيئة الكوب الموضوع فيه، ويكون من السهل عليه فعل ذلك، ويتعرض السائل بجزيئاته للتأثر بالتلاصق.

الشروط الواجب توافرها لحدوث التوتر السطحي

تعد العوامل المؤثرة في التوتر السطحي ما يلي:

• نوعية السائل

تختلف نتائج ظاهرة التوتر السطحي باختلاف نوعية السوائل، فعلى سبيل المثال فإن التوتر السطحي في السوائل الزئبقية تكون كبير بعكس الموجود في السوائل المائية، ولذلك تظهر القطرات الزئبقية بتكور شديد اكثر من المياه، ولكن تظهر القطرات الكحولية بتكور قليل من المياه.

• درجات الحرارة

تتناسب العلاقة بين ظاهرة التوتر السطحي ودرجات الحرارة بشكل عكسي، فإن ارتفاع درجات الحرارة بشكل كبير ينتج عنه قلة التوتر السطحي الخاص بالسائل.

شاهد أيضًا: ما هو علم الفيزياء وماذا يدرس؟

القيم الخاصة بالتوتر السطحي

القيم الخاصة بالتوتر السطحي تتغير بشكل متفاوت بين السوائل عند درجة حرارة محددة، فعلى سبيل المثال فتصل هذه القمة للمياه إلى  (20°C 72.86 ± 0.05)، ولكن قيمة التوتر السطحي للبنزين تكون ( C 28.88° 20)، بينما تكون القيمة الخاصة بالتوتر السطحي للزئبق ( C 486.5°20).

تطبيقات على ظاهرة التوتر السطحي

تتعدد التطبيقات التي تمثل ظاهرة التوتر السطحي، ومن أبرز هذه التطبيقات ما يلي:

• الحشرة تتمكن من المرور فوق سطح المياه.
• قطرات المياه تتخذ الأشكال الكروية والشبه الكروية، ومن الممكن تفسير ذلك بأن السوائل تستطيع أن تحافظ على مستويات الطاقة القليلة بشكل مطلق بتضيقها لمساحة الأسطح الخارجية.
• فالكرة تمتلك المساحة الأقل بالمقارنة بالأشكال الهندسية المختلفة، ولذلك فإن السائل يستطيع أن يحافظ على مستويات طاقته الأقل.
• من الممكن ملاحظة عدم تبلل السطح المُصنع من الشمع أو ما يُعرف بالنايلون عندما نسكب المياه فوقه، ولذلك لأن هناك فروق كبيرة بن قوى الجذب في الجزيئات السائلة وقوى التماسك بين المياه المسكوبة والسطح.
• ولذلك تنتشر المياه أعلى السطح بسبب تعرض قيمة قوة الجذب للارتفاع والمتواجدة بين المياه بشكل أكثر من المتواجدة على السطح.

طرق قياس التوتر السطحي

من المعروف أن ظاهرة التوتر السطحي ظاهرة تتعلق بعلم الفيزياء، ولذلك فإن قياسها سوف يعتمد على احدى أساليب قياس السوائل، وما يرتبط بها من ظواهر.

فيتم الاعتماد على ما يُعرف بالأنابيب الشعرية المعروفة إنجليزيًا باسم Capillary Tubes، والمعتمدة على القانون التالي: ( t= 1\2 dgr (h +1\3 r)).

فتشير H إلى الارتفاع الخاص بالسوائل بقلب الأنابيب الشعرية، وتشير R لنصف قطرها، وتشير t للتوتر السطحي الخاص بالسائل الذي يتم استخدامه، وتشير D لكثافة السائل، أما G في تشير للعجلة الخاصة بالجاذبية الأرضية.

طريقة زيادة سطح السائل

حتى نتمكن من زيادة سطح السائل يجب بذل الجهد على هذا السطح لتتمكن بعض الجزيئات المتواجدة بداخله من التحرك من الداخل للسطح، وسوف يؤثر هذا الجهد الذي حدث على قوى الانجذاب المسؤولة عن سحب جزيئاته المتواجدة بالسطح السائل للداخل؛ والمعروفة بقوى التوتر السطحي.

ويمكننا استنتاج أن الأجزاء العلوية من الجزيئات المتواجدة عند سطح السائل تمتلك لطاقة الوضع، فضلًا عن الأجزاء الواقعة أسفل السائل، أي أن الطاقة الخاصة بالجزئيات المتواجدة بالسطح السائل تكون كبيرة بالمقارنة بالطاقة الخاصة بالجزيئات المتواجدة بداخل السائل، وتعرف هذه الطاقة بالطاقة السطحية.

شاهد أيضًا: قوانين الفيزياء الأساسية

العلاقة بين التوتر السطحي ودرجات الحرارة

التوتر السطحي يتأثر بالاختلافات المتعلقة بدرجات الحرارة، فيقل التوتر السطحي كلما ارتفعت درجات الحرارة، وذلك يحدث نتيجة لإضعاف قوى الانجذاب الحادثة بشكل متبادل بين الجزيئات الخاصة بالسائل مع تأثر درجة الحرارة بالارتفاع.

التوتر السطحي في حياتنا اليومية

سوف تتمكن من فهم مصطلح التوتر السطحي من خلال معرفة مواضعه وأمثال له في حياتنا اليومية، ومن أهم مظاهر ظاهرة التوتر السطحي ما يلي:

• ظاهرة التوتر السطحي تساعد على فهم تكوين قطرات المياه السائلة على شكل كروي.
• التوتر السطحي يتسبب في انفصال المياه عن الأسطح المصنوعة من النايلون أو الشمع.
• يتم الاستعانة بالتوتر السطحي في تصنيع ما يُعرف بالمظلات وبمعاطف الأمطار والثلوج.
• ظاهرة التوتر السطحي تفسر ظواهر عديدة من أبرزها ظاهرة تكوين الفقاقيع المتكونة من المياه والصابون.
• تساعد ظاهرة التوتر السطحي من تنظيف الملابس مع البقع وإزالتها ومحوها جيدًا، وذلك لأن الصابون يعمل على تقليل هذه الظاهرة من المياه.
• قوة تماسك الجزيئات تقوم بالسماح لتكوين السوائل للأسطح على شكل المحدب أو المقعر حسب الوعاء الموجود فيه.

شاهد أيضًا: قوانين الفيزياء بالرموز

التوتر السطحي ومثلث برمودا

هناك ثلج هيدرات الميثان من الأشياء المجمدة بقيعان المحيطات بالكميات الكبيرة جدًا، وهو يتكون بسبب تحليل ما يُعرف بالمواد العضوية في آلاف الأعوام السابقة، وبسبب حدوث تغييرات مناخية في العصور الحديثة الناتجة عن ما يُعرف بالاحتباس الحراري.

والتي أدت إلى ارتفاع درجات الحرارة بقيعان هذه المحيطات والبحار، عمل ذلك على إذابة الثلوج مع إطلاقها لغاز الميثان على هيئة فقاعات مندفعة لسطح المياه.

كما أنها ترتفع في الجو لعدد من الكيلو مترات مثلما يحدث عندما نقوم بفتح المشروبات الغازية في درجة الحرارة المرتفعة، مما يدل على عدم تمكن الهواء من حمل وسائل النقل الجوي المختلف بأعلى هذه المنطقة.

فوجود فقاعات من غازات الميثان بشكل كثيف أدى إلى تقليل التوتر السطحي الخاص بالمياه بمثلث برمودا، والذي يحدث فيه تحويل المياه لرغاوي مما يعجز من قدرتها على تحمل السفن والمركب، وتتعرض للغرق بشكل سريع بدون تنبيه.

وأشارت العديد من الأبحاث التي أعدتها مراكز جيولوجية أمريكية إلى وجود العديد من الأماكن المُخزن بها غاز هيدرات الميثان أسفل المياه بالبحار على مستوى العالم.

وأشار مجموعة من الخبراء بجامعة القطب الشمالي في النرويج إلى وجود العديد من الحفر بقاع البحار الناتجة عن حدوث بعض الانفجارات الكبيرة لكرات الفقاقيع من هذا الغاز، والتي قد خُزنت متراكمة في مئات السنين السابقة بالبحر.

وقد أوضحوا أن قطر هذه الحفرة التي تم اكتشافها يصل إلى خمسمائة متر، فيما يصل عمق الحفرة إلى ما يقرب من خمسة وأربعين متر، وذكروا أن انبعاث الميثان من هذه الحفرة قد ينتج عنها تغيير درجة الحرارة بالارتفاع بمياه المحيط بعد اختلاطها بالغاز.

وفي نهاية الموضوع وبعد أن تعرفنا على ظاهرة التوتر السطحي، والعوامل المؤثرة فيه حتى يحدث أو شروط حدوث التوتر السطحي، والقيم الخاصة به، وتطبيقاته المختلفة.

واستخداماته في الحياة اليومية، وطرق قياسه، وعلاقة التوتر السطحي بمثلث برمودا وما يحدث فيه، عليكم فقط مشاركة هذا الموضوع في جميع وسائل التواصل الاجتماعي.