شرح ظاهرة التوتر السطحي

تعريف ظاهرة التوتر السطحي

يمكن تعريف ظاهرة التوتر السطحي (بالإنجليزية: Surface tension) بأنه ظاهرة يظهر فيها سطح السائل في موقع تلامسه مع الغاز على شكل صفيحة مرنة مشدودة ورقيقة، أما إن كان هذا السطح المتشكل بين سائلين مثل الماء والزيت؛ فإنه يعرف وقتها باسم التوتر البيني أو الواجهي (بالإنجليزية: Interface tension).^[١]

سبب حدوث ظاهرة التوتر السطحي

تعتبر قوى التماسك (بالإنجليزية: Cohesive forces) بين الجزيئات السائلة هي المسؤولة عن الظاهرة المعروفة باسم التوتر السطحي لسطح السائل، إذ لا تمتلك الجزيئات الموجودة على السطح جزيئات أخرى مماثلة لها من الأعلى، وبالتالي فهي تتماسك بقوة أكبر مع الجزيئات المجاورة لها على الجانبين ومن الأسفل، ممّا يشكّل غشاء سطحياً يجعل تحريك جسم على سطح الماء أكثر صعوبة من تحريكه عندما يكون مغموراً بالكامل فيه.^[٢]

وحدة قياس التوتر السطحي

يُقاس التوتر السطحي عادةً بوحدة الداين/سم، وهي القوة مقاسة بالداين والمطلوبة لكسر غشاء طوله 1 سم على سطح السائل، ويبلغ التوتر السطحي للماء في الماء عند 20 درجة مئوية ما مقداره 72.8 داين/سم، أما الكحول الإيثيلي فيبلغ توتره السطحي ما مقداره 22.3 داين/سم، والزئبق 465 داين/سم عند درجة الحرارة نفسها،^[٢] ويبلغ التوتر السطحي لزيت الزيتون مثلاً عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ما مقداره 32 داين/سم، أما الجليسرين فيبلغ توتره السطحي عند درجة الحرارة هذه 63.1 داين/سم.^[٢]

وعلى سبيل المثال عند قولنا إن التوتر السطحي للماء هو 72 داين/سم عند 25 درجة مئوية فذلك يعني أنّ كسر غشاء من الماء طوله 1 سم يتطلب قوة مقدارها 72 داين، ويجدر بالذكر هنا أن التوتر السطحي للماء يقل بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة، كما أن التوتر السطحي ينشأ بسبب الطبيعة القطبية لجزيء الماء.^[٢]

أمثلة على ظاهرة التوتر السطحي

من الأمثلة من حولنا على ظاهرة التوتر السطحي ما يلي:^[٣]

• يمكن للحشرات الصغيرة المشي على الماء لأن كتلتها لا تكفي لاختراق السطح.
• يمكنك وضع إبرة صغيرة بهدوء لتطفو على سطح الماء على الرغم من أن كثافتها تعادل كثافة الماء لعدة مرات، أما في حال تحريك السطح فإن ذلك سيؤدي إلى تفكيك التوتر السطحي وغرق الإبرة بسرعة فيه.
• يعتبر استخدام الماء الساخن في غسل اليدين أفضل من استخدام الماء البارد؛ لأن الماء الساخن له توتر سطحي أقل مما يساعد على ترطيب اليدين بشكل أفضل.
• عند استخدامك لقطارة الماء، فإن الماء يتدفق منها على شكل سلسلة من القطرات، وليس على شكل تيار مستمر، وذلك بسبب التوتر السطحي للماء، ويؤدي وجود الجاذبية إلى جعل قطرة الماء غير كروية تماماً بسبب سحبها للأسفل، أما في حال عدم وجود الجاذبية، فإن قطرة الماء ستقلل من مساحة سطحها لتقليل التوتر، مما يؤدي إلى ظهورها بشكل كروي تماماً.^[١]