تحقيق مسبار
تُقدِّم المقالة التالية ماهيَّة التوتر السطحي والفائدة منه، والتوتر السطحي في جسم الإنسان. كما وتذكر أهم الأمثلة على ظاهرة التوتر السطحي، وأخيرًا طرق قياسه.
ما هو التوتر السطحي؟
يُعرف التوتر السطحي بالانكماش الذي تميل إليه أسطح السوائل في أدنى مساحة ممكنة للسطح، وهذا ما يمكن ملاحظته عند محاولة ملء كوب ما بالماء حتى آخره ولكن ما يزال هناك متسع لإضافة قطرات أخرى. وتعتمد آلية عمل التوتر السطحي على قوى التجاذب بين الجسيمات الموجودة داخل السائل إلى جانب قوى الجذب للمواد الصلبة أو السائلة أو الغازية التي تلامسها.
التوتر السطحي للسوائل
التوتر السطحي للسوائل هي خاصية تجعل السوائل تبدو وكأنها غشاء مرن ممتد لديه القدرة على مقاومة اختراق الأجسام الخفيفة لها، وهذا ما تُظهره قدرة سطح الماء على حمل ورق القصدير دون غرقه بداخله.
ويختلف معامل التوتر السطحي للسوائل بحسب نوع المادة ودرجة الحرارة، إذ يمتلك الماء أعلى معامل للتوتر السطحي من بين كافة السوائل، لهذا لا ينسكب الماء من الكوب حتى عند ملئه إلى حافته، ويعود السبب خلف ارتفاع معامل التوتر السطحي للماء إلى الروابط الهيدروجينية الموجودة بين جزيئات الماء، إذ يمتلك الماء سالبية كهربية للأكسجين أعلى من الهيدروجين.
هل يوجد تطبيقات عملية لظاهرة التوتر السطحي؟
صحيح، من الممكن ملاحظة التطبيقات العملية لظاهرة التوتر السطحي في مجموعة كبيرة من الأحداث اليومية يختصرها مشهد متزلج يمشي فوق سطح الماء دون أن يغرق بداخله. إلى جانب تطبيق فقاعة الصابون التي هي مجرد فقاعة من الهواء يغطيها سطح سائل رقيق ومرن، فقاعة حافظت على استقرار توترها السطحي بسبب تأثير مارانجوني، والتي لو انفجرت تحاول الانكماش على نفسها لتكوين فقاعة صابونية أصغر دون فرقعتها. وفي السياق، يجدر القول أن السوائل بشكل عام لا تستطيع الحفاظ على استقرار توترها السطحي لدرجة تكوين فقاعة.
أمثلة على ظاهرة التوتر السطحي
هناك مجموعة من الأمثلة على ظاهرة التوتر السطحي والتي سيتم ذكرها فيما يلي:
- قدرة بعض الحشرات على المشي فوق الماء أحد الأمثلة على ظاهرة التوتر السطحي كون وزنها أقل بكثير من قدرتها على اختراق سطح الماء والذي يمكن أن تفعله حشرة بق الماء المتزحلق بسهولة.
- الشكل الكروي الذي تتخذه قطرات الماء، ويعود السبب خلف تشكل قطرات الماء بالشكل الكروي لكونه الشكل الهندسي الأقل مساحة للسطح، ولأن قوى التوتر السطحي انكماشية تتَّخذ دورها في تقليل السطح قدر الامكان.
- تعويم الإبرة على سطح الماء على الرغم من كثافتها تطبيق عملي على ظاهرة التوتر السطحي، ولكن بمجرد تحريك سطح الماء أو السائل سيتفكك التوتر السطحي وستغرق الإبرة.
طرق قياس التوتر السطحي
وحدة قياس التوتر السطحي هي نيوتن لكل متر (N / m)، أو داين لكل سنتيمتر (dyn / cm). أي مقدار القوة المبذولة في السطح بشكل عمودي على طول خط وحدة القوى. وتتضمن طرق قياس التوتر السطحي في معادلة القوة مقسومة على الطول.
وهناك مجموعة من الطرق لقياس التوتر السطحي، وفيما يلي سيتم شرح لاثنتين منها:
1- قياس التوتر السطحي بالخاصية الشعرية، وهي خاصية ينتقل فيها السائل من الأسفل إلى الأعلى ويمكن مشاهدتها في ارتفاع الماء في مصاصة موجودة داخل كوب من الماء. ولمعرفة طريقة قياس التوتر السطحي في هذه الطريقة فهي كما يلي:
- يتم تحديد المعادلة لحل التوتر السطحي وهي: S = (ρhga / 2). إذ إن (S) هو التوتر السطحي، و(ρ) هو كثافة السائل الذي يتم قياسه، و((h هو الارتفاع الذي يرتفع إليه السائل داخل الأنبوب، بينما g)) هو التسارع الذي ينتج عن تأثير الجاذبية على السائل والمتمثل بنصف قطر الأنبوب الشعري (9,8 م / ث 2).
- يتوجب التأكد من أن جميع الوحدات الموجودة بالشكل المتري قبل البدء بالعمل على هذه المعادلة، وضرورة تحديد كثافة السائل المُستخدم من خلال البحث عنها أو حسابها عن طريق معادلة الكثافة ألا وهي الكتلة مقسومة على الحجم.
- ملء طبق عميق بسائل مجهول التوتر السطحي بحوالي 2 ونصف سم من السائل المطلوب، أو بما يكفي لرؤية السائل بوضوح داخل الأنبوب الشعري.
- وضع أنبوب رفيع وشفاف داخل السائل، والذي سيتم أخذ السائل منه لقياس التوتر السطحي مع ضرورة أن يكون صافيًا وله نفس القطر في جميع أنحائه.
- سيكون من السهل التعويض عن القيم الموجودة بالمعادلة وحلها من خلال تحديد المتغيرات الموجودة في التجربة وتطبيقها.
2- قياس التوتر السطحي بعملة معدنية، ومن خلال هذه التجربة سيكون من الممكن التمييز بين التوترات السطحية للسوائل باختلاف بعضها البعض. وستحتاج هذه التجربة لتحضير كل مما يلي:
- قطارة عين.
- عملة معدنية جافة.
- ماء.
- وعاء صغير.
- صابون أطباق.
- زيت.
- منشفة.
- يمكن تحضير نوعين مختلفين من السوائل غير الماء وصابون الأطباق، كون التجربة متعلقة بالاختلافات الناجمة عن التوتر السطحي للسوائل، ومن ثم البدء بتطبيق التجربة من خلال إحضار العملة المعدنية الجافة وتقطير الماء فوق القطعة المعدنية على اعتباره السائل الأول، مع عد عدد القطرات تم احتياجها لملء العملة لمعدنية بالسائل، ومن ثم تنشيف العملة المعدنية تمامًا، وتطبيق العملية ذاتها مع السائل الآخر (صابون الأطباق) ومحاولة الحصول على عدد دقيق للقطرات التيتم استخدامها.
- كتابة اسم السائل الذي تطلَّب عدد أكبر من القطرات لملء العملة المعدنية، وتدوين الآخر الذي احتاج لعدد أقل.
- سيُلاحظ من خلال هذه التجربة أن المواد ذات التوتر السطحي العالي ستطلب قطرات أكثر من السائل على العملة المعدنية وأكثر من تلك التي احتاجت لقطرات أقل لملئها، وفي هذه التجربة سيلاحظ أن سائل صابون الأطباق ذو توتر سطحي أقل من سائل الماء.
الفائدة من التوتر السطحي
تكمن الفائدة من التوتر السطحي فيما يلي:
- تم استغلال التوتر السطحي للسوائل والموجود في الماء على وجه الخصوص في صنع المعاطف المَطَرية، والمظلات المخصصة ضد المطر، كون الماء لا يمكنه الالتصاق أو تبليل بعض المواد لأن قوى تماسك جزيئات الماء مع بعضها البعض أكبر أقوى من قوى تلاصقها مع بعض المواد كالنايلون أو الشمع على سبيل المثال.
- تم الاستفادة من التوتر السطحي في بعض الاختبارات السريرية الخاصة بفحص اليرقان، إذ إن للبول الطبيعي توتر سطحي يبلغ 0,066 نيوتن/متر [N/m]، وينخفض هذا المعدل في حال كان الشخص مصابًا باليرقان ليصبح منخفضًا. وفي اختبار Hay، يتم رش مسحوق الكبريت على سطح البول، وفي الحالة الطبيعية سوف يطفو المسحوق على سطح البول، بينما في حال كان الشخص يعاني من اليرقان فسوف يغرق المسحوق داخل البول لانخفاض التوتر السطحي.
- صناعة الخيام، تُصنع الخيام في العادة من مواد مقاومة للمطر والماء بطريقة ما، ولكن في حال تم لمس الخيمة ستصبح غير مقاومة للماء، ويعود ذلك للتوتر السطحي القادر على سد المسام في المواد المنسوجة جيدًا مثل الخيام، ولكن في حال تم لمس النسيج سيتفكك التوتر السطحي وسينفد الماء ويتسرب إلى الداخل.
- تُصنع بعض المطهرات بتوتر سطحي قليل مما يسمح لها بدخول الجدران التي تتواجد فيها خلايا البكتيريا لقتلها والتخلص منها.
- صناعة الصابون، إذ يستطيع الصابون تنظيف الملابس عند استخدامه في الماء كونه أحد العوامل الخافضة للتوتر السطحي للماء من خلال قدرته على تكسير الروابط الهيدروجينية الموجودة بين جزيئات الماء والوصول إلى أكبر قدر ممكن من المسام لتنظيف الأوساخ، وهذا ما يفسر أهمية استخدام الصابون مع الماء (عالي التوتر السطحي) الذي يعتبر غير قادر على تنظيف الملابس بمفرده. ويلجأ البعض لاستخدام الماء الساخن في الغسيل بدلًا من الماء البارد بسبب توتره السطحي الأقل والذي يُقدِّم ترطيبًا أعلى.
التوتر السطحي في جسم الإنسان
يتواجد التوتر السطحي في جسم الإنسان، وتحتوي السوائل البيولوجية البشرية على العديد من المواد الخافضة للتوتر السطحي والبروتينات والدهون ومنها المصل، والبول، وسوائل المعدة، والسائل الأمنيوسي، والجهاز الهضمي، والمسالك البولية، والغدد الصماء. وتكمن أهمية العمليات الفيزيائية والكيميائية التي تحدث داخل الجسم والخاصة بالتوتر السطحي في قدرتها على تحسين الوظائف الحيوية لكافة أعضاء الجسم وأنسجته المختلفة. ويُعبِّر اختلاف سلوك التوتر السطحي للسائل البيولوجي البشري عن وجود أمراض معينة من الممكن ملاحظتها بطرق طبية معينة.
اقرأ/ي أيضًا:
هل يمكن قياس سرعة الصوت في الماء؟
هل ينطبق قانون نيوتن الثالث على الحياة العملية؟
