Co to jest napięcie powierzchniowe?

Napięcie powierzchniowe jest siłą kohezji wykazywaną przez cząsteczki cieczy. Siła ta pozwala powierzchniowej cieczy oprzeć się, do pewnego stopnia, działającym na nią siłom zewnętrznym. Jest to ten opór, który pozwala na przykład, aby spinacz do papieru unosił się na powierzchni szklanki wody, mimo że spinacz ma gęstość większą niż woda. Napięcie powierzchniowe zmienia się w zależności od cieczy i innych czynników, takich jak temperatura.

Tendencja cieczy do wykazywania właściwości napięcia powierzchniowego wynika z przyciągania, jakie mają dla siebie cząsteczki cieczy. W cieczy każda cząsteczka jest otoczona przez inne cząsteczki i każda przyciąga równomiernie każdą otaczającą cząsteczkę, co daje zerową siłę netto. Jednak cząsteczki na powierzchni cieczy nie są otoczone we wszystkich kierunkach przez inne cząsteczki. Silniej oddziałują na znajdujące się w pobliżu cząsteczki, powodując napięcie powierzchniowe.

Kropelki wody tworzą się z powodu napięcia powierzchniowego, a napięcie powierzchniowe pozwala również na tworzenie pęcherzyków powietrza w cieczy. Gdy cząsteczki na powierzchni cieczy przyciągają inne cząsteczki na powierzchni, objętość cieczy w przestrzeni będzie miała tendencję do tworzenia kuli, a przy braku grawitacji kropelki wody tworzą doskonałe kule. Dzieje się tak, ponieważ kula ma kształt, który ma najmniejszą możliwą powierzchnię dla danej objętości. Kiedy dwie małe kropelki zderzają się przy braku grawitacji, przyciąganie cząsteczek do innych cząsteczek powoduje, że kropelki łączą się w większą kroplę. Tendencję tę można czasem zaobserwować również w standardowej grawitacji ziemskiej.

Wydłużony kształt kropel deszczu wynika z siły ciężkości kropelek. Napięcie powierzchniowe jest zwykle bardzo słabą siłą, więc kropelki łatwo deformują się pod wpływem siły grawitacji lub innych sił, takich jak siły dośrodkowe lub odśrodkowe. Niektóre owady, a nawet zwierzęta, przystosowały się do korzystania z tej siły, choć może ona być słaba. Pluskwy wodne i małe jaszczurki zwane bazyliszkami polegają na napięciu powierzchniowym wody, aby chodzić po niej bez tonięcia.

Napięcie powierzchniowe cieczy, zwykle wyrażane jako dynes na centymetr, jest ilością siły wymaganej do przebicia powierzchni konkretnej cieczy na liniowej odległości jednego centymetra. Dyn to jednostka energii lub siły zdefiniowana jako ilość energii potrzebnej do przyspieszenia jednego grama masy z prędkością jednego centymetra na sekundę do kwadratu. Jeden barwnik jest również równy jednostce standardu międzynarodowego (SI) mikro-newtonów.