ربما تساءلت يومًا، كيف يمكن لبعض الحشرات الوقوف على سطح الماء؟ كيف لشفرة حلاقة أن تطفو على سطح الماء إذا وضعت بعناية؟ كيف تتشكل فقاعات الصابون؟ لماذا تأخذ قطرة الماء شكلًا كرويًا؟ جميع التساؤلات السابقة مرتبطة بظاهرة فيزيائية تعرف باسم التوتر السطحي. لنتعرف أكثر حول هذه الظاهرة في هذا المقال.
ظاهرة التوتر السطحي تعني أن جميع السوائل تحتوي على غشاء مرن مقاوم ينتج عن طريقة توزع جزيئاتها.
لفهم ذلك يمكننا إجراء تجربة بسيطة، نضع شفرة حلاقة أو إبرة معدنية صغيرة بعناية على سطح الماء ونراقبها تطفو فوق السطح. جرب دفع الشفرة قليلًا نحو الأسفل تلاحظ أنها تغوص، ما السبب؟
اخترقت الشفرة غلاف الماء الذي كان مسؤولًا عن طفوها على سطحه.
التوتر السطحي؛ فقاعات الصابون تُعد مثالًا واضحًا عن ظاهرة التّوتر السطحي.
تحدث ظاهرة التّوتر السطحي في المادة السائلة والصلبة والغازية، نتيجة قوى الجاذبية الموجودة بين جزيئات المادة.
على سبيل المثال، تنجذب الجزيئات الموجودة في قطرة ماء لبعضها بشكل ضعيف. جزيئات قطرة الماء الداخلية تنجذب بشكل متساو من جميع الجوانب نحو الجزيئات المحيطة، إذا أُزيحت الجزيئات السطحية بعيدًا قليلًا عن السطح، ستنجذب عائدًة نحو الجزيئات القريبة. تؤدي بعد ذلك تلك الطبقة السطحية إلى خلق حاجز بين الهواء والماء.
من الجدير ذكر أن الماء يمتلك أكبر توتر سطحي بين السوائل الأخرى.
تُعتبر الطاقة المسؤولة عن ظاهرة التوتر السطحي مساوية تقريبًا لمقدار العمل اللازم لإزالة طبقة الجزيئات السطحية في منطقة موحدة.
يُعبر عن التّوتر السطحي بوحدات طاقة (جول) في المتر المربع. يمتلك الماء توترًا سطحيًا يعادل 0.07275 جول في المتر مربع عند درجة حرارة 20 درجة مئوية. عند المقارنة نجد أن التّوتر السطحي في السوائل العضوية كالبنزين والكحوليات أقل منه في الماء، في حين أنه أعلى في الزئبق. تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى إضعاف الجاذبية بين الجزيئات ما يُقلل التّوتر السطحي.
عملة نقدية من الألمنيوم تطفو على سطح الماء بسبب التوتر السطحي.
قد تبدو ظاهرة التوتر السطحي ظاهرة جيدة لاستخدامها في بعض الألعاب والخدع لإبهار الأصدقاء مثلاً! لكنها في حقيقة الأمر تلعب دورًا هامًا في خدمة الناس والبيئة.
قد يبدو الأمر خرقًا لقوانين الفيزياء، لكن مشبك ورقٍ مصنوع من المعدن يمكن أن يطفو على سطح الماء!
أمثلة عن ظاهرة التوتر السطحي:
- المشي على الماء: تستطيع الحشرات الصغيرة الوقوف والمشي على سطح الماء لأن وزنها لا يكفي لاختراق التوتر السطحي.
- إبرة تطفو على سطح الماء: يمكن أن تطفو إبرة صغيرة موضوعة بعناية على سطح الماء رغم أنها تمتلك كثافة أكبر من الماء بكثير. يؤدي تحريك الماء إلى اختلال التوتر السطحي ومن ثم غرق الإبرة.
- تُصنع الخيام عادةً من مواد نسيجية مقاومة لمياه الأمطار، إذ يعمل التّوتر السطحي للماء على سد المسام الموجودة في نسيج الخيمة. إذا لمست نسيج الخيمة بإصبعك، سيسمح ذلك بكسر التّوتر السطحي ونفاذ المياه عبرها.
- الصابون ومواد التنظيف: تساعد في تنظيف الألبسة عبر خفض التوتر السطحي للماء ما يسمح بنفاذه إلى الأماكن المتسخة وتنظيفها.
اقرأ أيضًا:
ما هي أنواع الروابط الكيميائية ؟
ترجمة: بيان علي عيزوقي
تدقيق: سماح عبد اللطيف
