Napięcie powierzchniowe i włoskowatość

Cząsteczki cieczy przyciągają się wzajemnie. Jest to przejaw oddziaływania elektromagnetycznego. Siły te nazywamy siłami spójności. Siły działające na cząsteczki wewnątrz cieczy się równoważą, natomiast na cząsteczki leżące na powierzchni działa siła wypadkowa do środka cieczy (cząsteczki są wciągane do wnętrza cieczy). Siłę tą nazywamy siłą napięcia powierzchniowego.
Aby wydobyć cząsteczkę z głębi cieczy na jej powierzchnię, należy działać na nią siłą przeciwną do siły wypadkowej, więc należy przy tym wykonać pracę. Wykonana praca jest równa zmianie energii potencjalnej cząsteczki. Oznacza to, że cząsteczki przy powierzchni cieczy mają większą energię niż cząsteczki znajdujące się w głębi cieczy. Zgodnie z ogólnym prawem przyrody każdy układ
cząsteczek dąży do znalezienia się w stanie o minimalnej energii. Skoro energia cząsteczek przy powierzchni jest duża to w nieobecności sił zewnętrznych ciecz dąży do przybrania takiego kształtu, dla którego przy określonej objętości powierzchnia jest jak najmniejsza. Z geometrii wiadomo, że taki kształt ma kula. Dlatego krople deszczu mają kształt kulisty i w stanie nieważkości każda ciecz przyjmuje kształt kuli. Obok znajduje się zdjęcie kuleczek rtęci znajdujących się płytce szklanej. Dążenie cieczy do zmniejszenia swojej powierzchni prowadzi do tego, że na granicy pomiędzy warstwą powierzchniową i ciałem stałym powstają siły napięcia powierzchniowego. Można się o tym przekonać kładąc płasko żyletkę na powierzchni wody (wtedy pływa ona na
powierzchni). Napięcie powierzchniowe odpowiedzialne jest również za tworzenie się baniek mydlanych.
Napięcie powierzchniowe wody można zmienić, zmieniając temperaturę wody lub dodając do wody różne związki chemiczne zwane detergentami. Ma to znaczenie podczas prania brudnych ubrań. Pranie polega na zanurzeniu ubrania w wodzie i doprowadzeniu do rozpuszczenia się w niej brudów z tkaniny. Aby jednak woda mogła wypłukać brud z tkaniny, musi tę tkaninę zwilżyć. To oznacza, że siły przylegania między cząsteczkami wody powinny być mniejsze niż siły przylegania między cząsteczkami tkaniny a cząsteczkami wody. Podwyższenie temperatury wody i dodanie detergentów zwiększa zwilżanie i skuteczność prania.
Możliwość mieszania różnych cieczy zależy od tego, czy siły oddziaływania między cząsteczkami różnych cieczy są mniejsze, czy też większe od sił spójności. Przykładowo olej i benzyna nie miesza się z wodą, ale olej miesza się z benzyną.

W polu grawitacyjnym Ziemi kształt powierzchni cieczy jest zawsze taki, by suma energii potencjalnych związanych z oddziaływaniem grawitacyjnym oraz siłami międzycząsteczkowymi była najmniejsza. Daleko od ścianek naczynia powierzchnia jest płaska, ponieważ tam dużą rolę odgrywają siły grawitacji, a wypadkowa sił międzycząsteczkowych działających na każdą cząsteczkę jest zwrócona w dół. Powierzchnia cieczy jest zawsze prostopadła do siły wypadkowej.
W pobliżu ścianek oprócz sił spójności działają siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i cząsteczkami ciała stałego nazwane siłami przylegania.

Jeśli siły spójności są większe od sił przylegania to mówimy, że ciecz nie zwilża ścianek naczynia i tworzy się wtedy menisk wypukły. Tak zachowuje się rtęć w szklanych naczyniach. Można to również zaobserwować jeśli naczynie szklane natłuścimy i wlejemy wodę, bowiem siły przylegania między cząsteczkami wody i tłuszczu są znacznie mniejsze od sił spójności między cząsteczkami wody. Własność tą wykorzystują kaczki i inne ptaki wodne. Pióra są
nasiąknięte tłuszczem i woda nie dostaje się pomiędzy pióra. Podobnie woda nie może zwilżać owadów wodnych ślizgających się po powierzchni stawów, więc pokryte są substancją której siły przylegania z wodą są małe. Parasole i ubrania przeciwdeszczowe wykonujemy z takich materiałów aby woda spływała. Z tego powodu pastujemy buty.
Jeśli siły przylegania są większe od sił spójności to mówimy, że ciecz zwilża ścianki naczynia i tworzy się wtedy menisk wklęsły. Tak zachowuje się woda w szklanej rurce.

Bardzo wąskie rurki, których średnica jest rzędu jednego milimetra lub mniejsza, nazywamy włoskowatymi lub kapilarnymi (od łacińskiego słowa capillus - włos). Jeśli taką rurkę zanurzymy w cieczy, która ją zwilża (na przykład rurkę szklaną w wodzie), to tworzy się menisk wklęsły. Powstaje wtedy ciśnienie powierzchniowe, które powoduje podnoszenie się cieczy powyżej powierzchni swobodnej cieczy w danym naczyniu (rysunek z lewej). Im mniejsza jest średnica naczynia tym wysokość na jaką podnosi się woda jest większa.
Ciecz niezwilżająca rurki włoskowatej opuszcza się poniżej powierzchni cieczy w naczyniu. Tak zachowuje się rurka szklana, posmarowana tłuszczem, zanurzona w wodzie (pokazuje to rysunek z prawej strony).

Zjawiska włoskowate często spotykamy w przyrodzie. Występowanie ich tłumaczy higroskopijność szeregu ciał, tzn. ich zdolność do pochłaniania wilgoci. Substancją higroskopijna jest wata, tkaniny, gleba, beton. Widocznie te substancje składają się z mikroskopijnych naczyń i są one zwilżane przez wodę, czyli siły przylegania są większe niż spójności.
Higroskopijność betonu musi być uwzględniona w praktyce budowlanej. Pomiędzy fundament budynku i ściany wkłada się warstwę papy, smoły czy też jakiejkolwiek innej substancji, która zapobiega przenikaniu wilgoci poprzez ściany do mieszkań.
Woda znajdująca się pod ziemią dzięki włoskowatości gleby podnosi się aż do jej powierzchni i paruje. Chcąc zachować wilgoć w glebie, należy zniszczyć rurki włoskowate. osiąga się to dzięki orce i bronowaniu. Znana jest zasada działkowiczów: lepiej jest raz na dwa tygodnie wzruszyć ziemię niż codziennie ją podlewać.

Rośliny składają się z wielu długich i bardzo cienkich cząsteczek celulozowych. Woda zwilża ścianki cząsteczek celulozowych. Są to więc naczynia włoskowate, a woda podnosi się do góry. Dzięki temu rośliny mogą pobierać wodę poprzez korzenie i z gleby).
Okazało się, że małe owady potrafią "chodzić" po powierzchni wody wykorzystując siły napięcia powierzchniowego wody i nie muszą nawet poruszać własnymi odnóżami. Chociaż powierzchnia wody wydaje się dla ludzkiego oka zupełnie płaska, to małe stworzonka, takie jak kilkumilimetrowe owady, postrzegają ją zupełnie inaczej. Powierzchnia wody dla nich jest urozmaicona i pofałdowana. Przyjmują one specjalną pozycję, dzięki której tworzą siły "wciągające" je na wypukłość (podobnie jak w rurkach włoskowatych) w tempie około 30 długości ciała na sekundę. W tym czasie na wodzie powstają charakterystyczne kółka, robione przez środkowe odnóża. Sprawdzili to naukowcy z MIT (Massachusetts Institute of Technology) przy użyciu specjalnej kamery.

Literatura:
B. M. Jaworski, A. A. Piński, Elementy fizyki, tom 1,
M. Fijałkowska, K. Fijałkowski, B. Sagnowska, Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych, wyd. ZamKor.

Siły spójności

Kuleczki rtęci na szybie

Bańki mydlane

Menisk wypukły

Menisk wklęsły

---