Napięcie powierzchniowe, czyli dlaczego płyn do naczyń to mega zabawka

- lutego 10, 2020

Zastanawialiście się dlaczego krople wody lub piasku przyjmują kształt okrągły? Dlaczego jednak po wlaniu wody do szklanki ma ona płaską powierzchnię? No i w końcu o co chodzi z tym meniskiem wklęsłym, wypukłym i dlaczego nartniki i spinacze pływają? Opowiemy sobie dzisiaj o napięciu powierzchniowym, czyli zjawisku powszechnym i znanym, z którym da się zrobić wiele eksperymentów.

Napięcie powierzchniowe, czyli dlaczego płyn do naczyń to mega zabawka

Napięcie powierzchniowe to zjawisko występujące na powierzchni wszystkich cieczy. Wyobraźmy sobie ciecz jako skupisko cząsteczek z maleńkimi rączkami. W środku cząsteczki chwytają się każda każdej oddziałując na siebie z każdej strony. Odpychają się lub przyciągają równo. Tak samo z góry, dołu i każdego boku. Jednak sprawa ma się inaczej na powierzchni. Tam brakuje cząsteczek, które wyciągnęły by w naszą stronę swoje rączki jednak cząsteczki cieczy nadal przyciągają się po bokach tworząc swoistą tarczę. Oczywiście żeby przedrzeć się w głąb cieczy musimy pokonać wspomnianą tarczę, co nie jest łatwe. Dowodem na to jest oczywiście nartnik lub spinacz pływający po powierzchni wody (oczywiście do chwili gdy nie wepchniemy go pokonując siły napięcia powierzchniowego).

Rysunek 1. Schemat kierunku działania sił działających na cząsteczkę w i na powierzchni cieczy
Źródło


Rysunek 2. Spinacz pływający na wodzie mimo większej gęstości Źródło: SciFun, YouTube

Opisane wcześniej oddziaływanie między cząsteczkami to inaczej siły spójności (kohezja). Oddziaływanie cieczy z inną cieczą (granica między wodą, a olejem), gazem (granica wody z powietrzem) lub ciałem stałym (przyleganie wody do szklanki, albo kropel wody do szyby lub trawy) to siły przylegania (adhezja). Natomiast powierzchnia cieczy, która powstaje w szklance, albo w przypadku wody osiadającej w kształcie kropli na szybie samochodu nosi nazwę powierzchni swobodnej.

Ponieważ w naturze wszystko dąży do równowagi każda ciecz samorzutnie dąży do równowagi wszystkich sił działających w jej objętości. Adhezja i kohezja to tylko dwie z wielu sił działające na ciecze, innym ważnym czynnikiem jest grawitacja. To ona sprawia, że krople deszczu przypominają łzę - warunkach nieważkości i bez atmosfery miałyby idealną kulista postać. Taki kształt zapewnia minimum wydatku energii (napięcia powierzchniowego potrzebnego do utrzymania kształtu) dla maksymalnej objętości. Można zaobserwować to na filmikach udostępnionych przez NASA nakręconych na międzynarodowej stacji kosmicznej.

Rysunek 3. Woda w warunkach nieważkości przyjmuje kształt kuli
Źródło: NASA, YouTube

To właśnie wspomniana równowaga sił odpowiada adhezji i kohezji odpowiada na coś co nazywamy meniskiem - wypukleniem lub wklęśnięciem cieczy względem poziomu na ściankach naczynia, w którym się znajduje. Bardzo dobrze można zaobserwować to zjawisko powoli dolewając wody do pełnej już szklanki. Woda znacząco wybrzuszy się nad brzegi szklanki zanim nastąpi jej wylanie.

Warto by tutaj wspomnieć dodatkowo o kącie zwilżenia. Parametrze kluczowym dla powierzchni hydrofobowych - nielubiących wody. Kąt zwilżenia to kąt który powstaje między cieczą, a powierzchnią na której się ona znajduje (konieczny jest tu również trzecie ośrodek, gaz). Im większy kąt zwilżenia tym ważniejszą role odgrywają siły spójności cieczy (kohezja), a mniejsze są siły oddziaływania cieczy z ciałem na którym się znajdują (adhezji).

Rysunek 4. Kąt zwilżania dl różnych typów powierzchni
Źródło: NonoLeader

Zanim przejdziemy do zabawy powiedzmy sobie jeszcze gdzie wykorzystuje się napięcie powierzchniowe, a raczej manipulacje tą siłą. Proszki o prania, płyny do mycia podłóg lub naczyń i wszystkie inne środki powierzchniowo czynne to substancje, które zmniejszają napięcie powierzchniowe wody pozwalając na skuteczniejsze zwilżanie tkanin, naczyń i innych powierzchni płaskich ułatwiając ich czyszczenie. Innym przykładem gdzie napięcie powierzchniowe jest równie ważne są krople do oczu. Przykładów znalazło by się pewnie o wiele więcej.

Wszędzie tam gdzie istnieją siły można pokusić się o eksperyment. Najprostszym jest eksperyment z talerzem wypełnionym wodą, na powierzchni której rozsypujemy pieprz. Jeżeli teraz do wody włożymy palec zamoczony w płynie do naczyń przyprawa odpłynie od naszego palca - podobny trick zastosowano w reklamie pewnego płynu do naczyń. Oczywiści nam wydaje się, że to płyn do naczyń się rozpycha, jednak w rzeczywistości tak nie jest. Płyn do mycia naczyń zmniejsza napięcie powierzchniowe w obszarze na którym jest zmieszany z wodą, w skutek czego obszar ten jest rozciągany prze silniejsze cząsteczki wody bez płynu - obszar o większym napięciu powierzchniowym rozciąga obszar o mniejszym napięciu, a więc całkowita energia potrzebna na utworzenie powierzchni zmniejsza się.

Eksperymentów jest oczywiście więcej, jeżeli jesteście ciekawi zajrzyjcie do źródeł.Jeżeli coś zrobicie to koniecznie nagrajcie i podeślijcie.