تستطيع النملة السير على سطح الماء بسبب ظاهرة التوتر السطحي

تستطيع النملة السير على سطح الماء بسبب ظاهرة التوتر السطحي

حيث تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض وتظل مع بعضها، وذلك يحدث بشكل أساسي على السطح حيث لا يوجد غير الهواء في الأعلى.

حشرات الماء، من الحشرات الصغيرة التي تستطيع أن تتكيف مع الحياة بشكل عام فوق الماء الساكنة، وتستطيع فعل ذلك بسهولة من خلال خاصية التوتر السطحي، التي تمكنها من السير على الماء دون أن تسقط، حيث تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض وتظل مع بعضها، وذلك يحدث بشكل أساسي على السطح حيث لا يوجد غير الهواء في الأعلى، يؤدي التجاذب بين جزيئات الماء إلى حدوث توتر وتكون غشاء رقيق للغاية، فإن قمنا بالمقارنة سوف نجد أن المتزلج على الماء يقوم بالمشي على هذا الغشاء المتكون، فنرى أنه يبلغ طول عتلات الماء حوالي نصف بوصة، ويكون ذلك بجسم رقيق وثلاث مجموعات من الأرجل، وهذا هو سر التزلج على الماء، حيث تحتوي الأرجل على الهواء، وذلك عن طريق صد الماء، فتقف عتلات الماء الصغيرة على سطح الماء، وبذلك يسمح لهم الهواء الملتقط بالطفو والتحرك بكل سهولة.

ويتم استخدم الأرجل الأمامية في الحشرات بشكل عام غير المساعدة على المشي على الماء، فهي يتم استخدامها أيضًا في التقاط الطعام والتمسك به،تقوم جرافات الماء بالتغذي على الحشرات واليرقات الموجودة على سطح الماء، وذلك مثل حشرات البعوض واليعسوب الساقط، يقوم العلماء بدراسة أرجل الماء بالحرارة وكان ذلك على أمل صنع مواد تستطيع صد الماء بسهولة، ومساعدة الكائنات الحية الأخرى بشكل أسرع فوق الماء. [1]

ما هو التوتر السطحي

التوتر السطحي هو

عبارة عن طاقة أو عمل، يعمل على زيادة مساحة سطح سائل، مما يسبب قوى بين الجزيئات

، وذلك يحدث نظرًا إلى أن هذه القوى المخلوقة بين الجزيئات تختلف، ويرجع ذلك اعتمادًا على طبيعة السائل نفسه، مثل الماء مقابل البنزين، أو مثل المواد المذابة في السائل، والتي تعتبر من المواد الخافضة للتوتر السطحي مثل المنظفات وما إلى ذلك، وذلك يرجع إلى أن كل محلول يقوم بإظهار خصائصة المختلفة أثناء ظاهرة التوتر السطحي، وذلك بالطبع ينعكس عليها ويدخل ضمن خصائصها هي، وسواء قد لاحظت ذلك أم لا فإن التوتر السطحي موجود في حياتنا اليومية ولا يقتصر على أداء تجربة في المعمل حتى نراه، فعلى سبيل المثال أن قمت بملئ كوب من الماء كثير، فسوف ترى أن مستوى الماء في الكوب أعلى بكثير من مستوى ارتفاع الكوب نفسه، ومثال آخر عندما تقوم بسكب الماء فيُشكل بركة، وتقوم تلك البركة بالارتفاع عن المنضدة مثلًا، في الحقيقة هاتين الظاهرتين نتيجتين في الأصل عن ظاهرة التوتر السطحي، وذلك ما نراه أمام أعيننا بشكل يومي ومستمر دون أن نعلم أن كل ذلك يحدث بسبب ظاهرة فيزيائية. [2]

أمثلة على ظاهرة التوتر السطحي

قطرة سائل.
الصابون والمنظفات.
الغسل بالماء الساخن.
العمل الشعري.

يعرف الكثير منا خدعة الإبرة العائمة أو مشبك الورق على الماء، فكانت تلك من الألعاب القديمة التي كنا ننبهر بها ونتسأل كيف يحدث هذا، وما سر هذا الطوفان، حتى جاء التفسير العلمي والذي عُرف باسم ظاهرة التوتر السطحي، والتوتر السطحي كما وضحنا من قبل هو عبارة عن خاصية للسائل تجعل سطحة وكأنه محاط بجلد من النوع المرن، وذلك في الأصل يرجع إلى قوى التماسك بين الجزيئات وبعضها، ولكن في الأصل يتم الارتباط عن طريق الجزء الموجود في الجزء الداخلي من السائل الذي يتفاعل مع الجزيئات الأخرى، من جميع الجهات، ولكن نجد أن الجزيئات الأخرى الموجودة على السطح تقوم بالتفاعل مع الجزيئات الموجودة بجوارها، والجزيئات الأخرى الموجودة في الطبقة السفلى، وبذلك يكون هناك قوة جذب أكبر للجزيئات الداخلة، وفي الواقع للتوتر السطحي والسطحية بشكل عام، تأثير قوي على العديد من الظواهر الأساسية في الحياة اليومية، ولذلك يتم تطوي الكثير من المواد الكيميائية والتقنيات الأخرى حتى يكون هناك تعديل لبعض التوترات السطحية والداخلية، وفيما يلي سوف نتعرف على بعض الأمثلة اليومية على التوتر السطحي، وإليك هي:

قطرة سائل:

سواء كنت تمشي خلال المطر، أو تقوم بسكب القهوة الصباحية، أو حتى تضع قطرة للعين، فبالتأكيد قد رأيت سوائل تتناثر على على الأسطح الصلبة، كل تلك الأشياء تحدث معنا يوميًا دون الانتباه لها، ولكن إذا ركزنا في الأمر سوف نجد ان لهذه الأشياء تأثير فيزيائي ديناميكي، وهو الذي يجعل القطرات تتساقط بهذه الطريقة، وتراها وكأنها جلد متماسك وترى أن أقل حالة طاقة لهذا الانخفاض الحادث، يحدث عندما يكون العدد الأقصى من جزيئات الماء محاط بجزيئات أخرى غير مفككة، وذلك يعني أن القطرة كانت تحتوي على أقل مساحة ممكنة من السطح.

الصابون والمنظفات:

إن الصابون والمنظفات عبارة عن مواد كيميائية صعبة، تعمل بطريقة خاصة لإزالة الأوساخ، كما نعرف أن جزيئات الماء تقوم بالالتصاق ببعضها البعض من خلال قوى الجزيئات، يساعد الصابون والمنظفات في التنظيف عن طريق تقليل التوتر السطحي للماء وذلك حيث يمكن نقع المناطق المتسخة فيه، فتعمل جزيئات الصابون من سلاسل طويلة من ذرات الكربون والهيدروجين مع الجزيئات الأيونية الأخرى، في أحد طرفي السلسلة وتتكون الذرات المحبة للماء، في الطرف الأخر، وتلتصق الأخرى بالشحوم والدهون بجزيئات الصابون، الموجودة على البقعة، مما يسمح بتدفق الماء تحتها.

الغسل بالماء الساخن:

في المثال السابق، قد لاحظنا أنه من خلال تقليل التوتر السطحي، يمكن تحسين كفاءة المياه في التنظيف، وذلك على الرغم من أنه يمكن تقليل التوتر السطحي للماء بشكل كبير بواسطة الصابون والمنظفات، إلا أن تسخين الماء له تأثير كبير في ذلك أيضًا، ولكن مع بقاء الآليات الأساسية للتظيف كما هي، وذلك قلل من التوتر السطحي للماء بشكل كبير، حيث كان تشتته على مساحة أوسع، وذلك كان بسبب زيادة الطاقة، فعند التسخين تبدأ جزيئات الماء بالحركة بشكل تلقائي، وبالتالي ذلك يقلل من قوة القوى بين الجزيئات التي بطبيعتها تحافظ على الترابط فيما بينها، وذلك عندما يكون الماء بارد، ولذلك لا ينصح دائمًا بغسيل الملابس دائمًا بالماء الساخن لتلافي إتلافها بسرعة.

العمل الشعري:

الفعل الشعري هو قدرة السائل على التدفق عبر المساحات الضيقة دون مساعدة من القوى الخارجية، والتي تتمثل في الجاذبية ومقاومتها، فعند التفكير في الشعيرات الدموية، نفكر فيها على أنها عبارة عن جزيئات لزجة، يُسمى التجاذب بين المواد المختلفة مثل الزجاج والماء بالالتصاق، بينما يتم تسمية التجاذب بين المواد المتشابهة بالتماسك، فعندما يتم غمس أنبوب زجاجي في الماء، يؤدي ذلك إلى الالتصاق بين الزجاج والماء، وبالتالي سحب طبقة رقيقة من الماء فوق السطح الداخلي والخارجي للأنبوب، وعند ذلك يقوم التوتر السطحي في تقليص هذا الفيلم، الموجود على السطح الداخلي، وبالتالي يرتفع الماء حتى تم التوازن بين قوة اللصق ووزن الماء المرتفع، فنجد في ذلك أنه كلما ارتفع مستوى الماء من أجل الالتصاق، كما تم إعطاء المصطلح الرياضي للارتفاع وه الـ h، لعمود السوائل وذلك يكون من خلال تلك المعادلة، ح = \ فارك {2T} {ρrg}ح=ρ ص ز2 ت، حيث أن T تساوي التوتر السطحي، و r تساوي نصف قطر الأنبوب، g = 9.8{ms} ^ {- 2}م الصورة- 2و ρ = كثافة السائل، ويمكن رؤية ذلك بسهولة في الجزيئات الموجودة بين شعر فرشاة الرسم، عند وضعها في أنبوب رفيع، أو يمكن رؤية ذلك في بعض المواد الغير مسامية مثل ألياف الكربون المسالة، أو الخلايا البيولوجية. [3]