کشش سطحی – به زبان ساده

کشش سطحی یک پدیده فیزیکی است که طی آن، سطحی از مایع که با گاز در تماس است مانند یک صفحه الاستیک عمل می‌کند. همانطور که اشاره شد، عبارت کشش سطحی عموما برای حالتی به کار می‌رود که سطح مایع با یک گاز مانند هوا در تماس باشد.

در حالتی که سطح مورد نظر، بین دو سیال قرار داشته باشد (مانند سطح مشترک بین آب و روغن) نیز نیروی کششی مشاهده می‌شود و به این نیروی کششی، «کشش بین سطحی» (Interface Tension) گفته می‌شود.

این مطلب ابتدا به بررسی مفهوم پدیده کشش سطحی و علت ایجاد آن می‌پردازد. در ادامه مثال‌هایی از آن آورده می‌شود و در انتهای این مطلب نیز کاربردهای تجاری این پدیده مورد مطالعه قرار می‌گیرد و کاربرد این پدیده در علم مکانیک، توربوماشین، صنایع غذایی و لوازم آرایشی به صورت دقیق نشان داده می‌شود.

علت ایجاد پدیده کشش سطحی

همانطور که می‌دانید، نیروهای بین مولکولی زیادی مانند نیروهای «وان در والس» (Van der Waals)، ذرات سیال را نزدیک یکدیگر نگه می‌دارد. در طول سطح سیال نیز، ذرات موجود در سطح به سمت سایر ذرات سیال کشیده می‌شوند.

فیلم آموزش فیزیک پایه ۳ – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

مطابق شکل بالا، زمانی که یک مولکول درون سیال قرار دارد، نیروهای بین مولکولی از تمام جهات به آن مولکول وارد می‌شود و در نتیجه برایند نیروهای وارد بر آن برابر با صفر است. اما زمانی که مولکول در سطح قرار گرفته باشد، نیروهای بین مولکولی از پایین و طرفین به آن وارد می‌شود و نیروی خالص به سمت پایین به آن وارد می‌شود.

کشش سطحی با نماد یونانی گاما (γ) نمایش داده می‌شود و به صورت ریاضی برابر است با نسبت نیروی سطحی (F) به طولی (d) که نیرو به آن وارد می‌شود.

برای مثال اگر آب، درون یک استوانه قرار داشته باشد، محیط استوانه به عنوان طولی در نظر گرفته می‌شود که کشش سطحی به آن وارد شده است.

واحد کشش سطحی در SI با واحد نیوتون بر متر (N/m) و در cgs با واحد dyn/cm نشان داده می‌شود. علاوه بر موارد ذکر شده، برای بررسی ترمودینامیک پدیده کشش سطحی، می‌توان این پدیده را بر حسب کار در واحد سطح نیز بیان کرد. در این حالت واحد کشش سطحی در سیستم SI برابر با J/m² خواهد بود.

نیروی کشش سطحی باعث به هم چسبیدن ذرات موجود روی سطح می‌شود ولی از آن‌جایی که این نیروی چسبندگی ضعیف است، بسیار راحت می‌توان سطح مایع را شکست و به داخل آن نفوذ کرد.

مقایسه خاصیت پاک کنندگی آب داغ و سرد

کشش سطحی آب در دمای 25 درجه سانتی گراد برابر با 72dynes/cm است. این عدد نشان می‌دهد که برای شکستن سطح آبی به طول یک سانتی متر، 72dynes نیرو لازم است. نکته بسیار مهم این است که کشش سطحی آب با افزایش دما، کاهش می‌یابد. این موضوع در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.

در واقع کشش سطحی، ناشی از قطبی بودن مولکول‌های آب است. با توجه به شکل بالا می‌توان بیان کرد که آب داغ، کشش سطحی پایینی دارد، سطح آن راحت‌تر شکسته می‌شود و بنابراین سطح را بهتر خیس و به راحتی به حفره‌ها نفوذ می‌کند. بر این اساس می‌توان نتیجه گرفت که آب داغ خاصیت پاک کنندگی بیشتری نسبت به آب سرد دارد.

خاصیتی که در بالا برای آب داغ توضیح داده شد، برای مواد شوینده مانند صابون نیز صادق است. این مواد با کاهش میزان کشش سطحی آب، قدرت خیس شوندگی سطح را افزایش می‌دهند و در نتیجه محلول حاصل، راحت‌تر در حفره‌ها نفوذ می‌کند. بنابراین قدرت پاک کنندگی آن بالا می‌رود.

مثال‌هایی از کشش سطحی

در این قسمت به بررسی مثال‌هایی در طبیعیت می‌پردازیم که عامل آن‌‌ها کشش سطحی است. در واقع بسیاری از جانداران در طبیعت برای زندگی خود از پدیده کشش سطحی استفاده می‌کنند. همچنین پدیده‌های فیزیکی زیادی نیز موجود است که عامل اصلی وقوع آن‌ها کشش سطحی است. در آزمایشگاه نیز آزمایش‌های تجربی جالب و گوناگونی با استفاده از پدیده کشش سطحی می‌توان انجام داد. این بخش به بررسی این گونه از پدیده‌ها می‌پردازد.

فیلم آموزش فیزیک پایه دهم – فیزیک ۱ در فرادرس

کلیک کنید

قطرات آب

زمانی که ما از یک قطره چکان برای ایجاد قطرات آب استفاده می‌کنیم، آب به صورت پیوسته جریان نمی‌یابد، بلکه به صورت تعدادی قطره شروع به جریان می‌کند. شکل این قطره‌ها را کشش سطحی آب تعیین می‌کند.

توجه شود که کشش سطحی در تمام جهات به صورت یکسان به قطره وارد می‌شود و این موضوع باید شکل قطره را به صورت کره در بیاورد ولی در واقعیت قطره به صورت کرده نیست و شکل آن همانند یک اشک دیده می‌شود. دلیل این موضوع، حضور نیروی گرانش است. در واقع نیروی گرانش باعث کشش این قطره به سمت پایین و انحراف از حالت کروی آن می‌شود.

اگر گرانش حضور نداشته باشد، نیروی کشش سطحی، سطح قطره را کمینه می‌کند. کمینه شدن سطح باعث کمینه شدن نیروی کشش سطحی می‌شود. در ریاضی نشان داده شد که وقتی یک حجم ثابت از جسمی در اختیار داریم، کره مینیومم سطح بین تمام سطوح ممکن را دارد. بنابراین شکل قطره به صورت کره در می‌آید.

حشراتی که روی آب راه می‌روند

بسیاری از حشرات توانایی حرکت و راه رفتن روی آب را دارند. پاهای آن‌ها طوری طراحی شدند که وزن حشرات به صورت همگن توزیع می‌شود. در این حالت حشره بدون شکستن سطح مایع توانایی حرکت روی آب را دارد. این موضوع در شکل زیر نشان داده شده است.

آزمایش قرار گرفتن سوزن روی آب

همانطور که می‌دانید، چگالی سوزن به عنوان یک جسم فلزی بیشتر از آب است ولی در صورتی که سطح آب نشکند، نیروهای سطحی آب توان تحمل وزن سوزن را دارند. انجام این آزمایش نیاز به تمرکز بالایی دارد. توجه کنید که اضافه کردن صابون به آب می‌تواند کشش سطحی را کاهش دهد و در نهایت این سوزن به داخل آب فرو برود.

کاربرد تجاری پدیده کشش سطحی

پدیده کشش سطحی کاربردهای مختلفی دارد و می‌توان از آن در صنایع گوناگون استفاده کرد. در بخش قبل به صورت جزئی، برخی از پدیده‌هایی که در آن‌ها کشش سطحی مشاهده می‌شد را در قالب چند مثال مورد بررسی قرار دادیم. این بخش، ادامه روند قسمت قبل و کاربردهای صنعتی این پدیده را نشان می‌دهد.

صنایع شیمیایی

یکی از مهم‌ترین صنایعی که از پدیده کشش سطحی بیشترین بهره را می‌برد صنایع شیمیایی است. در واقع پدیده کشش سطحی در صنایع شیمیایی مختلفی مانند رنگ کردن و عناصر گوناگون نقاشی مانند جوهر و رنگ کاربرد دارد. همچنین از این پدیده در حشره‌کش‌ها نیز استفاده می‌شود.

صنایع مکانیکی

پدیده کشش سطحی در صنایع خودروسازی نیز کاربرد گسترده‌ای دارد. در بخشی از این صنعت، سطح را قبل از رنگ کردن آماده می‌کنند و در بخشی دیگر شیشه اتومبیل را طوری طراحی می‌کنند که از خیس شدن بیش از حد آن جلوگیری شود. در واقع یکی از کاربردهای مهم پدیده کشش سطحی در سطوح آب‌گریز و علم مکانیک است.

نکته دیگری که باید به آن اشاره کرد این است که، پدیده کشش سطحی در بهبود تایر خودروها نیز کاربرد دارد. در واقع به کمک این پدیده، تایر خودروها طوری طراحی می‌شوند که در هنگام یخبندان و خیس بودن جاده نیز چسبندگی بالایی از خود نشان بدهند.

این پدیده در صنایع مختلف مانند توربوماشین‌، برای ساخت پمپ‌ها و توربین‌های جدید نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین ترکیب این علم (کشش سطحی) و علم آیرودینامیک کمک بسیار زیادی به طراحی خودروها، هواپیماها و توربین‌های باد کرده است.

صنایع غذایی

یکی از کاربردهای جالب پدیده کشش سطحی، کاربرد آن در صنایع غذایی است. به عنوان مثال از این پدیده می‌توان برای حل کردن پورهایی کاکائو و شیر استفاده کرد.

ساختمان سازی

از پدیده کشش سطحی در صنایع ساختمانی و برای تولید بتن‌های ضد آب، محافظت از بناهای تاریخی و همچنین ساخت پلاستیک‌های گلخانه‌ها استفاده می‌شود.

لوازم آرایشی بهداشتی

پدیده کشش سطحی یکی از مفاهیمی است که از آن برای طراحی لوازم آرایشی مانند ریمل‌ها و پخش شدن کرم استفاده می‌شود. همچنین نوعی از تمیز کننده‌های خود خشک شونده نیز موجود است که مستقیما از مفهوم پدیده کشش سطحی برای عملکرد خود استفاده می‌کنند.

همانطور که اشاره شد، کشش سطحی در سطحی از مایع رخ می‌دهد که با یک گاز مانند هوا در تماس است. در واقع نیروهای بین مولکولی در سطح مایع تنها به سمت پایین وارد می‌شود و این نیروها، کشش سطحی را تولید می‌کنند.

این مطلب ابتدا به صورت دقیق، مفهوم کشش سطحی و علت ایجاد آن را مورد مطالعه قرار داد، در ادامه مثال‌هایی از این پدیده بیان شد و کاربردهای مختلف صنعتی آن مورد مطالعه قرار گرفت.

در صورتی که به مباحث ارائه شده، علاقه‌مند هستید و قصد یادگیری در زمینه‌های مطرح شده در فیزیک پایه و مکانیک را دارید، آموز‌ش‌های زیر به شما پیشنهاد می‌شود:

• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آیرودینامیک (Aerodynamics) چیست؟ — از صفر تا صد
• سطح آبگریز (Hydrophobic Surface) چیست؟ — به زبان ساده
• توربوماشین (Turbomachinery) — به زبان ساده
• نقطه بحرانی (Critical Point) در ترمودینامیک — به زبان ساده
• قضیه کار و انرژی (Work-Energy Theorem) — آموزش سریع و ساده