فرادرساثر مویینگی چیست؟ — به زبان ساده
به هنگام بارش باران، آب در سراشیبی خیابان به سمت پایین حرکت میکند. به طور کلی انتظار داریم که آب، مانند آبشار، به سمت پایین حرکت کند. اما نکته جالب توجه آن است که آب می‌تواند به سمت بالا و در خلاف جاذبه زمین نیز جریان داشته باشد. قسمت کوچکی از دستمال کاغذی را داخل لیوان آب قرار دهید. پس از گذشت مدت زمان مشخصی، تمام دستمال کاغذی خیس خواهد شد. در این حالت، آب به سمت بالا و در خلاف جهت نیروی جاذبه زمین حرکت کرده است. توضیح این پدیده جالب با استفاده از مفهومی به نام اثر مویینگی انجام میشود. مویینگی نقش مهمی در حرکت سیال در بدن ما دارد. همچنین، حرکت آب از ریشه گیاهان به سمت برگ‌ها با استفاده از اثر مویینگی انجام میشود. در این مطلب، در مورد این اثر صحبت می‌کنیم و نقش آن را در طبیعت و گیاهان، توضیح می‌دهیم.
اثر مویینگی چیست ؟
در تعریف بسیار بسیار ساده، به بالا رفتن مایع در فضایی باریک و در خلاف جهت جاذبه زمین، اثر مویینگی گفته میشود. برای درک بهتر این اثر به مثال‌های زیر توجه کنید. با مطالعه این مطلب، تعریف‌های پیچیده‌تر این اثر را نیز یاد می‌گیرد.
مثال ۱
در این قسمت نشان خواهیم داد که جوهر مشکی واقعا مشکی نیست. ابتدا با استفاده از ماژیک، خطی روی دستمال کاغذی و در قسمت پایین آن رسم و قسمت بالای دستمال را با استفاده از چسب کاغذی به نی وصل می‌کنیم. سپس، دستمال را از قسمت خط‌دار، داخل ظرف آب به گونه‌ای قرار می‌دهیم که خط داخل آب قرار نگیرد.
پس از آن‌که دستمال کاغذی خیس شد، آب شروع به بالا رفتن از آن خواهد کرد. آب از دستمال کاغذی بالا میرود و جوهر را خیس میکند. در اینجا، نکته جالبی را خواهید دید. جوهر پس از خیس شدن، همانند آب به سمت بالا حرکت میکند. پس از ۴۰ دقیقه با صحنه بسیار جالبی روبرو خواهیم شد. اثری از جوهر سیاه‌رنگ رو دستمال کاغذی باقی نمی‌ماند. به جای آن، با رنگین‌کمانی از رنگ‌های صورتی، آبی و زرد مواجه می‌شویم. در واقع، آب با حرکت به سمت بالا، چیزهای دیگری مانند رنگ‌های تشکیل‌دهنده جوهر را با خود همراه میکند.
برخی رنگ‌ها کوچک‌تر هستند، بنابراین سریع‌تر حرکت می‌کنند. در مقابل، رنگ‌های بزرگتر با سرعت کمتری حرکت می‌کنند. در نتیجه، جداسازی رنگ‌های جوهر سیاه به وضوح انجام میشود.
آزمایش را بار دیگر تکرار می‌کنیم، اما در این حالت به جای رسم خط روی دستمال، کلمه‌ای را با ماژیک‌های مختلف روی آن می‌نویسیم.
پس از گذشت ۶۰ دقیقه و خیس شدن دستمال کاغذی تا انتها، تصویر زیر به‌دست می‌آید. کلمه science بدون تغییر مانده، زیرا با ماژیک ضدآب نوشته شده است.
این آزمایش را می‌توانید با ماژیک‌های مختلف و رنگ‌های متنوع تکرار کنید.
مثال دوم
در این آزمایش، از وسیله‌های زیر استفاده می‌کنیم.
- هفت لیوان آب
- رنگ‌های مختلف
- دستمال کاغذی به تعداد مناسب
دوسوم لیوان‌ها را از آب پر می‌کنیم. سه لیوان آب ساده را روی میز قرار می‌دهیم و در مابقی لیوان‌ها، قلم‌موی آغشته به رنگ‌های مختلف مانند قرمز، زرد و آبی قرار می‌دهیم و قلم‌موها را تا پخش شدن رنگ به طور یکنواخت در آب، داخل آن هم می‌زنیم. سپس لیوان‌ها را کنار یکدیگر روی میز قرار می‌دهیم.
در این آزمایش ساده، آب را بین لیوان‌ها با استفاده از دستمال کاغذی حرکت می‌دهیم. مدت زمان این آزمایش به اندازه لیوان‌ها، دمای آب و مقدار دستمال کاغذی مورد استفاده، بستگی دارد. در ادامه، دستمال کاغذی‌ها را به صورت زیر، داخل لیوان‌ها قرار می‌دهیم.
مدت زمان انجام این آزمایش ممکن است طولانی باشد، بنابراین صبور باشید. با بررسی لیوان‌ها در مدت زمان‌های مختلف خواهید دید که مقدار آب درون آنها تغییر میکند. در پایان، آب داخل تمام لیوان‌ها رنگی شده و مقدار آب داخل آنها یکسان است. به این نتیجه می‌رسیم که آب به دلیل اثر مویینگی از دستمال کاغذی بالا رفته و بین لیوان‌ها حرکت کرده است.
در این آزمایش می‌توان از لیوان‌هایی با اندازه‌های مختلف یا به جای دستمال کاغذی، از پارچه استفاده کرد. به این نکته توجه داشته باشید که به هنگام انجام آزمایش، گاهی رنگ آب داخل لیوان مخلوطی از چند رنگ و گاهی لایه‌ای است.
برای توضیح این آزمایش باید بدانیم که عملکرد فضاهای کوچک با فضاهای بزرگ یکسان نیست. هنگامی که می‌شنویم مورچه‌ها دانه‌هایی در حدود ۱۰۰ برابر وزن خود را حمل می‌کنند، شگفت‌زده نخواهیم شد. اما اگر فردی اتومبیلی با وزنی چند برابر خود را حمل کند، به طور قطع شگفت‌زده خواهیم شد. این دو شرایط چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟ آیا مورچه از انسان قوی‌تر است؟ خیر، مورچه تنها از انسان کوچک‌تر است.
اگر انسانی را به اندازه مورچه کوچک کنیم، او اتومبیلی با وزنی بسیار بیشتر را بدون هیچ مشکلی بلند خواهد کرد. اندازه بسیار مهم است و قوانین حاکم بر حرکت و رفتار اجسام با اندازه آنها، تغییر می‌کنند. فیزیک کوانتوم، بهترین مثال در این مورد است. رفتار اجسام در مقیاس کوانتومی بسیار عجیب میشود. در این مقیاس، ذراتی وجود دارند که ناگهان به وجود می‌آیند و ناگهان از بین میروند. اجسام می‌توانند در زمان یکسان در دو مکان متفاوت وجود داشته باشند. همچنین، ذراتی وجود دارند که رفتار آنها به این بستگی دارد که آنها را تماشا کنیم یا خیر. اما برای درک اثر مویینگی نیاز به دانستن فیزیک کوانتوم نداریم.
اثر مویینگی در مقیاس مولکولی قابل توضیح است. آب در این مقیاس بدون توجه به نیروی جاذبه و جهت آن، می‌تواند در هر جهتی حرکت کند. توجه به این نکته مهم است که اثر مویینگی در صورت وجود چسبندگی، رخ می‌دهد. اگر سطحی روغنی و آب‌گریز داشته باشیم، آب از این سطح بالا نخواهد رفت. در نتیجه، اثر مویینگی وجود ندارد. از این رو، اثر مویینگی به میزان ترشوندگی سطح بستگی خواهد داشت.
بیشتر اجسام در طبیعت آب‌دوست هستند. آب چسبندگی خوبی با سنگها، شیشه، پلاستیک و دستمال کاغذی دارد. دستمال کاغذی از فضاهای بسیار کوچکی به شکل لایه، تشکیل شده است. بین لایه‌ها الیاف و بین آنها سلول‌های سلولز سازنده دستمال کاغذی قرار گرفته‌اند. بنابرای، آب توسط دستمال جذب میشود.
مثال سوم
انسان هزاران سال است که برای حرکت آب از سیفون استفاده میکند. در این آزمایش نحوه انتقال آب از مخزنی بسیار بزرگ به مخزنی کوچک‌تر را بدون تکان دادن مخزن بزرگتر، بررسی خواهیم کرد. یک راه ساده برای انجام این کار قرار دادن شلنگی در مخزن بزرگتر و مکیدن انتهای آزاد شلنگ است. اما این کار تنها برای چند دقیقه مفید و در ادامه خسته‌کننده و با به‌هم‌ریختگی بسیار همراه است. در این قسمت، با استفاده از نی، سیفونی ساده می‌سازیم.
دو لیوان با اندازه‌های مختلف را روی میز قرار می‌دهیم. لیوان بزرگتر را پر از آب می‌کنیم. اگر نی را داخل آن قرار دهیم، اتفاق خاصی نمی‌افتد. اگر انتهای آزاد نی را که خارج از آب قرار دارد با انگشت اشاره بپوشانیم، اتفاق جالبی رخ خواهد داد. پس از مدت کوتاهی، انگشت خود را برمی‌داریم. آب از نی بالا می‌آید یا به بیان بهتر به سمت بالا می‌پرد.
اکنون انتهای آزاد نی را با انگشت می‌پوشانیم و آن را کامل داخل آب قرار می‌دهیم، سپس، انگشت خود را برمی‌داریم. آب از نی بالا می‌آید و داخل ظرف کوچک‌تر می‌ریزد. به راحتی با نی سیفون ساخته‌ایم و آب را بین دو لیوان انتقال داده‌ایم. شاید از خود بپرسید آیا با این روش می‌توان تمام آب داخل ظرف بزرگتر را به ظرف کوچک‌تر انتقال داد یا انتقال آب در جایی متوقف خواهد شد.
با انجام این آزمایش خواهیم دید که تمام آب داخل ظرف بزرگتر به ظرف کوچک‌تر منتقل نخواهد شد و انتقال آب پس از گذشت مدت زمان مشخصی متوقف میشود. انتقال آب چه زمانی متوقف خواهد شد؟ برای پاسخ به این پرسش، به تصویر زیر دقت کنید.
تا زمانی که آب به کمک نی از ارتفاع بیشتر به ارتفاع کمتر حرکت میکند، جریان آن ادامه خواهد داشت. زمانی که ارتفاع برابر شود، آب هیچ دلیلی برای بالا رفتن از نی ندارد. در ادامه، حالت دیگری از این آزمایش را بیان می‌کنیم.
در دو لیوان، آب به اندازه یکسان می‌ریزیم و داخل هر کدام نی به صورت نشان داده شده در تصویر قرار می‌دهیم، آب بین دو لیوان حرکت نخواهد کرد. زیرا ارتفاع آنها یکسان و مقدار آب داخل نی یکسان است.
اکنون یکی از لیوان‌ها را در ارتفاع بالاتری نسبت به لیوان دیگر قرار می‌دهیم. با انجام این کار، تعادل سیستم را به هم می‌زنیم. آب داخل لوله در قسمتی از آن بیشتر از قسمت دیگر است. بنابراین، داخل لوله اختلاف وزن داریم و آب در اثر اختلاف وزن، بین دو لیوان حرکت خواهد کرد.
مثال چهارم
در آزمایش آخر می‌خواهیم با استفاده از وسایلی ساده، آبشار درست کنیم:
- لیوان
- آبِ رنگی برای دنبال کردن مسیر آن
- لوله پلاستیکی شفاف دو عدد
- بطری بزرگ به همراه درپوش
- ظرف کوچک برای جمع‌آوری آب
- چسب نواری
مراحل ساخت آبشار عبارت هستند از:
- دو حفره کوچک به اندازه عبور لوله‌های پلاستیکی، داخل سرپوش بطری درست کنید. سپس، لوله‌ها را از داخل هر حفره عبور دهید تا جایی که انتهای آنها تا میانه بطری برسد.
- لیوان را با آب پر کنید و چند قطره آبرنگ یا رنگ خوراکی مجاز داخل آن بریزید و تا پخش کامل رنگ داخل آب، آن را به هم بزنید.
- چند کتاب روی میز قرار دهید و لیوان آب را روی آن بگذارید.
- انتهای یکی از لوله‌های پلاستیکی شفاف را داخل لیوان آب قرار دهید.
- بطری را از قسمت سرپوش روی میز قرار دهید.
با قرار دادن سرپوش بطری روی میز، آبِ درون لیوان از طریق لوله پلاستیکی شفاف به داخل بطری میرود و از انتهای دیگر لوله، به شکل آبشاری خارج میشود.
جریان آب تا جایی ادامه می‌یابد که:
- آب داخل لیوان باشد.
- بطری از قسمت سرپوش، روی میز قرار داشته باشد.
اساس چهار آزمایش توضیح داده شده در بالا، اثر مویینگی است. تاکنون به صورت شهودی اثر مویینگی را فهمیده‌ایم. در ادامه، رابطه ریاضی حاکم بر آن را به‌دست می‌آوریم.
