Διαστατικός τύπος επιφανειακής τάσης

Κάθε φορά που εξετάζουμε ένα υγρό, η συμπεριφορά των επιφανειακών μορίων του και των υπολοίπων είναι εντελώς διαφορετική. Για παράδειγμα, αν τοποθετήσετε μια μικρή βελόνα στην επιφάνεια του νερού, θα βυθιστεί στον πάτο του δοχείου νερού. Από την άλλη πλευρά, ένα φύλλο θα επιπλέει στην επιφάνεια. Αυτό το είδος συμπεριφοράς εξηγείται με την έννοια της διαστατικής επιφανειακής τάσης. Η επιφανειακή τάση εξηγεί διάφορες συμπεριφορές όπως ο σχηματισμός σταγονιδίων υδραργύρου αλλά πιτσιλιές νερού, η άνοδος του υδραργύρου μέσω του θερμομέτρου και τέτοιες περιπτώσεις. Επιπλέον, αυτή η θεωρία αποτελεί τη βάση της άνωσης, την Αρχή του Αρχιμήδη και πολλά άλλα γεγονότα.

Επιφανειακή τάση – ορισμός και παράδειγμα

Υπάρχουν δύο ορισμοί για τον ορισμό της επιφανειακής τάσης. Όταν το υγρό βρίσκεται σε ένα δοχείο, τα μόρια της πάνω επιφάνειας έρχονται σε επαφή με τον αέρα. Λόγω των αλληλεπιδραστικών δυνάμεων, τα επιφανειακά μόρια συμπεριφέρονται ως ελαστικό στρώμα. Μια δύναμη μεγαλύτερη από τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων του υγρού πρέπει να εφαρμοστεί για να διαρρεύσει την επιφάνεια.

Ωστόσο, αυτός είναι ένας απλός φυσικός ορισμός που δεν θα παίξει σημαντικό ρόλο στην απάντηση σε ερωτήσεις διαστάσεων επιφανειακής τάσης. Επομένως, πρέπει να μάθουμε τον μαθηματικό ορισμό και τον τύπο για να κατανοήσουμε τη διαστατική του συμπεριφορά.

Κατά συνέπεια, η επιφανειακή τάση είναι η δύναμη που απαιτείται για να σπάσει τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των επιφανειακών μορίων. Μαθηματικά, μπορούμε να εκφράσουμε την επιφανειακή τάση ως: 

γ =Δύναμη / μήκος.

Ή, γ =f/l.

Επομένως, επιφανειακή τάση είναι η συνολική δύναμη που εφαρμόζεται ανά μονάδα μήκους της επιφάνειας του υγρού για να σπάσει το φιλμ. Η μονάδα SI του εκφράζεται ως N/m, ενώ η μονάδα CGS είναι dyne/cm.

Λόγοι επιφανειακής τάσης

Η επιφανειακή τάση είναι το αποτέλεσμα αλληλεπιδραστικών δυνάμεων μεταξύ των μορίων του υγρού. Αν σκεφτούμε ένα υγρό που διατηρείται σε μια μεγάλη μπανιέρα, πρέπει να συγκρίνουμε τη συμπεριφορά των δύο μορίων. Το μόριο Α υπάρχει στην επιφάνεια, ενώ το μόριο Β αιωρείται κάπου ανάμεσα στα στρώματα του νερού. Στο μόριο Β, όλες οι δυνάμεις που ασκούνται σε αυτό αλληλοαναιρούνται καθώς τα συστατικά είναι ίσα και δρουν προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Ωστόσο, αν λάβουμε υπόψη το επιφανειακό μόριο, Β, ίση ποσότητα συνεκτικής δύναμης δρα και στις δύο πλευρές και στον πυθμένα. Αλλά το πάνω μέρος εκτίθεται στην πίεση του αέρα. Επομένως, για να εξουδετερωθεί η ατμοσφαιρική πίεση, οι δυνάμεις συνοχής μεταξύ των επιφανειακών μορίων αυξάνονται σημαντικά, με αποτέλεσμα την επιφανειακή τάση.

Ο τύπος διαστάσεων για την επιφανειακή τάση

Οι διαστάσεις είναι κρίσιμες για τον καθορισμό της εξάρτησης οποιασδήποτε εξαρτημένης φυσικής μονάδας από τις ανεξάρτητες μονάδες, δηλαδή το μήκος, τη μάζα, τον χρόνο, τη θερμοκρασία. Με αυτό, γίνεται πιο σχετικό το πώς η παράμετρος θα ποικίλλει ανάλογα με άλλους παράγοντες. Για παράδειγμα, όταν εξετάζουμε την ταχύτητα, δεν έχει να κάνει με τη μάζα αλλά μόνο με το χρόνο και την απόσταση. Ομοίως, το σωματικό μας βάρος εξαρτάται μόνο από τη μάζα σώματος και όχι από την επιτάχυνση της βαρύτητας, αφού είναι σταθερή.

Επομένως, για να ορίσουμε τη διαστατική επιφανειακή τάση, πρέπει να μάθουμε για την παραγωγή του τύπου της. Σύμφωνα με τις παραπάνω σημειώσεις, η επιφανειακή τάση περιγράφεται ως εξής: 

γ =δύναμη / μήκος.

Η δύναμη εκφράζεται ως το γινόμενο της μάζας και της επιτάχυνσης. Η επιτάχυνση ορίζεται περαιτέρω ως ο ρυθμός της ταχύτητας ανά μονάδα χρόνου ή ο τετραγωνικός ρυθμός μετατόπισης ανά μονάδα χρόνου. Σε συνδυασμό, η φυσική έκφραση για τη δύναμη μπορεί να δηλωθεί ως: 

F =(μάζα * απόσταση) / χρόνος2.

Εδώ, η μάζα έχει τη διάσταση [M], η απόσταση ορίζεται ως μήκος και έχει τη διάσταση [L] και ο χρόνος ορίζεται ως [T]. Αφού αντικαταστήσουμε όλες αυτές τις τιμές στην έκφραση της επιφανειακής τάσης, μπορούμε να γράψουμε:

Συναγωγή επιφανειακής τάσης

Σύμφωνα με τις ερωτήσεις διαστάσεων επιφανειακής τάσης, η έκφραση αυτής της φυσικής παραμέτρου ορίζεται ως:

Από αυτό, μπορούν να συναχθούν τα ακόλουθα γεγονότα: 

• Η επιφανειακή τάση είναι ευθέως ανάλογη με τη μάζα και ως εκ τούτου, εάν η μάζα μειωθεί, η επιφανειακή τάση θα μειωθεί επίσης και το αντίστροφο.
• Η επιφανειακή τάση είναι ευθέως ανάλογη με το μήκος. Επομένως, όταν θέλετε να σπάσετε μια σημαντική μεμβράνη, η δύναμη τάσης πρέπει να εφαρμοστεί σε μεγαλύτερη ποσότητα.
• Η επιφανειακή τάση είναι ευθέως ανάλογη με το χρόνο.

Συμπέρασμα 

Σύμφωνα με τις σημειώσεις της επιφανειακής τάσης διαστάσεων UPSC, αυτό το συγκεκριμένο φαινόμενο παίζει καθοριστικό ρόλο στον προσδιορισμό των τριχοειδών δράσεων διαφορετικών υγρών, του σχηματισμού του μηνίσκου και των εννοιών της συνοχής και της πρόσφυσης. Καθώς αυτή η συγκεκριμένη φυσική μονάδα θεωρείται κυρίως για τον καθορισμό της συμπεριφοράς οποιασδήποτε υγρής επιφάνειας, συχνά συνδέεται με άλλα φαινόμενα όπως η άνωση, η επίπλευση και άλλα. Εκτός από αυτό, από τον τύπο διαστάσεων, μπορείτε να καταλάβετε πώς η μάζα, το μήκος και ο χρόνος ποικίλλουν στις τιμές επιφανειακής τάσης. Χωρίς αυτό το συμπέρασμα, θα ήταν δύσκολο να εξηγηθούν τα πραγματικά παραδείγματα που προκύπτουν από την επιφανειακή τάση διαστάσεων.