Vandens paviršiaus įtempimas - stebuklingas kilimas ir švaros priešas?

Kodėl vandens negalima suspausti, tačiau lengva pakeisti jo formą?

Kad vandens tūris nesikeičia jį pilstant į įvairius indus - žino kiekvienas. Taip pat ne paslaptis, jog jie lengvai keičia savo formą, pavyzdžiui, stiklinėje vanduo taps stiklinės formos. Kodėl taip yra? Viską lemia vandens struktūra. Vandenį sudaro vandenilio ir deguonies molekulės, kurios traukia viena kitą. Ši traukos savybė pasireiškia kiekvienoje medžiagoje - kietiems kūnams labai stipriai, o dujiniams silpniau. Kuo šios traukos jėgos stipresnės, tuo medžiaga kietesnė. Vanduo, kaip ir kiti skysčiai turi vidutinę traukos jėgą, lyginant su kietomis ir dujinėmis medžiagomis. Juose molekulės traukia viena kitą taip stipriai, jog yra sigrūdusios viena šalia kitos, todėl vanduo savo tūrio nebekeičia net ir slegiamas - jis pats savaime yra tiek susispaudęs, jog daugiau kur spaustis nėra. Šita jėga, laikanti vendens molekules viena prie kitos vadinama molekuliniu slėgiu. Skysčiuose molekulinis slėgis yra labai didelis: vandenyje jis lygus 11*108 Pa. Tačiau nežiūrint to, ši jėga yra per maža, kad vanduo sugebėtų išlaikyti formą.

Tai kas gi yra tas paviršiaus įtempimas?

Skysčio viduje esančią molekulę aplinkinės molekulės, esančios jos veikimo sferoje (maždaug 10 molekulės skersmenų), traukia į visas puses vienodai. Tuomet tarsi susidaro pusiausvyra - į kiekvieną pusę molekulė traukiama vienoda jėga ir atstojamosios jėgos susikompensuoja. Visai kitokia situacija yra vandens paviršiuje. Apatinėje dalyje esančios vandens molekulės  traukia paviršiuje esančias, o iš išorės šios traukos nėra kam atsverti, nes ten yra vandens garai ir oras (jų traukos galima nepaisyti). Taigi, vandens molekulės traukia paviršiaus molekules į vidų, o viduje nėra vietos - ten molekulė prie molekulės, kiekviena traukia viena kitą. Vadinasi paviršiuje esančios molekulės judėti negali ir pasilieka savo vietoje, sudarydamos molekulinį slėgį tarsi plėvelę. Kitaip sakant, apačioje esančių molekulių traukos jėga sukuria tam tikrą "klijų" efektą, kuris sutvirtina vandens paviršių, paversdamas jį plonute plėvele. Būtent šios plėvelės dėka vandeniu gali čiuožti vandens čiuožikas ir kiti vandens gyvūnėliai.

Ir vis tik vandens įtempimo efekto nepakanka, kad čiuožikas galėtų be jokių pastangų stovėti virš vandens. Tam jis turi būti dėkingas savo nešlampančioms kojoms. Apatinė čiuožiko kūno dalis apaugusi jautriais, vandeniui atspariais plaukeliais – jis niekada nesušlampa. Remiantis šiuolaikiniais tyrimais manoma, jog fizinė čiuožiko kojų sandara yra svarbesnė už chemines dengiančių medžiagų sąvybes. Čiuožiko koja yra hierarchinės struktūros, kurią sudaro daugybė mažyčių orientuotų plaukelių su nano-grioveliais. Manoma, jog plaukelių ir nano-griovelių tarpuose oras tarsi „įkalinamas“, taip suformuojant savotišką pagalvę tarp kojos ir vandens plėvelės.

Taigi, vandens paviršiaus įtempimas, sudarantis plėvelę, neįprasta čiuožiko kojų sandara ir gaunasi nuostabus efektas - "baletas ant vandens". Deja žmogus neturi tokių kojų, yra "truputėlį" per sunkus arba vandens paviršiaus plėvelė yra "truputėlį" per plona - tad mums baleto ant vandens pademonstruoti neišeis.

Paviršiaus įtempimas ir paprasčiausias skalbimas - kas čia bendro?

Tai, jog ši plėvelė egzistuoja, galime įsitikinti atlikę praktinį bandymą. Į stiklinę įpilama vandens ir jo paviršiuje atsargiai padedamas skutimosi peiliukas, jis neskęsta, tik vanduo truputį įlinksta. Peiliuką lengva nuskandinti jo net nepalietus – užtenka į stiklinę įlašinti keletą lašų spirito, kuris sumažina vandens paviršiaus įtempimą arba vandens molekulių tarpusavio trauką. Panašiai veikia ir muilas bei kitos skalbimo priemonės. Esant mažesniam vandens paviršiaus įtempimui, vanduo lengviau įsiskverbia į mažesnius plyšelius bei tarpelius, tad lengviau sudrėkina medžiagą ir ją išvalo. Todėl skalbimo metu patartina naudoti specialių papildomų priemonių, padedančių sumažinti vandens įtempimą. Idealiu atveju šios medžiagos galėtų būti natūralios, neteršiančios aplinkos, tačiau čia jau kita tema ir kita kalba.

Vandens paviršiaus įtempimas mažėja ne tik nuo papildomų madžiagų, bet ir nuo temepratūros. Kuo vanduo šiltesnis, tuo mažesnis vandens paviršiaus įtempimas. Štai ir atsakymas, kodėl geriausia praustis ar skalbti šiltu arba karštu vandeniu. Tik deja, tuomet iškyla problema su grūdinimusi - nieko nepadarysit, teks rinktis - arba švarūs, arba sveiki. Arba praustis teks kelis kartus - su šaltu, paskui su šiltu vandeniu.

Vanduo nori būti ... apvalus

Skysčio paviršiaus molekules veikia jėga, traukianti vidų, o judėti tos jėgos kryptimi molekulės negali, tai reiškia, kad kiekviena paviršiaus molekulė turi potencinės energijos, panašiai kaip akmuo, laikomas pakeltas ir traukiamas žemės. Yra žinoma, jog gamtoje kiekviena sistema savaime pereina į tokią būseną, kurioje ji turi mažiausią potencinę energiją. Kadangi potencinė energija yra tiesiog proporcinga paviršiaus plotui, reiškia, kad kuo didesnis paviršiaus plotas, tuo didesnė potencinė energija. Taigi, kūnas norėdamas ją sumažinti ima mažinti ir paviršiaus plotą, todėl stengiasi įgyti rutulio formą – mažiausią paviršiaus plotą turinčia figūrą. Būtent todėl rasos lašeliai arba lietaus lašas yra rutuliuko formos.

Ką tai reiškia? Tik vieną - jei norit efektyviai panaudoti pusryčių energiją, susirangykit į rutuliuką ir nieko nedarykit :).

Pabūkim mokslininkais

Molekulinio slėgio jėga veikia tik skysčio molekules ir neveikia į skystį panardinto kūno. Todėl molekulinio slėgio neįmanoma tiesiogiai išmatuoti prietaisais, jis apskaičiuojamas teoriškai arba apytiksliai matuojamas netiesioginiu būdu. Skysčio paviršiaus įtempimo jėgą F galima išmatuoti jautriu dinamometru, atplėšiant skersinėlį nuo skysčio paviršiaus. Tą jėgą padalijus iš skersinėlio ilgio l, surandamas tiriamojo skysčio paviršiaus įtempimo koeficientas. O kas tas įtempimo koeficientas? Jėgos F, kuria skysčio paviršius veikia bet kokį kontūrą, santykis su to kontūro ilgiu, vadinamas paviršiaus įtempimo koeficientu.
σ = F/l
Tačiau vargu ar kam bus įdomu namie atlikinėti tokius eksperimentus - palaukite fizikos laboratorinių darbų.

Parengta  pagal:

• Kas tai yra vandens paviršiaus įtempimas?
• Skysčiai