Τι είναι η Τριχοειδής Δράση;

Η τριχοειδής δράση είναι η κίνηση του νερού μέσα από ένα πορώδες υλικό, όπως το έδαφος, ενάντια στη δύναμη της βαρύτητας. Το νερό αντλείται από τις δυνάμεις της συνοχής και της πρόσφυσης, οι οποίες είναι οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων του νερού και των μορίων του υλικού.

Το νερό στο έδαφος απορροφάται από τις ρίζες ενός φυτού και προωθείται προς τα πάνω στα υπόλοιπα όργανά του χωρίς καμία απολύτως βοήθεια. Το φυτό, για να σπρώξει κατά μήκος του νερού τα θρεπτικά συστατικά για να αναπληρώσει τους πόρους του, δεν εκπέμπει καμία δύναμη για να αναιρέσει ή να υπερνικήσει την έλξη της βαρύτητας. Χωρίς καμία δύναμη να το οδηγεί, πώς στην πραγματικότητα το νερό ανεβαίνει ενάντια στη βαρύτητα; Τι μαγεία παίζει εδώ;

(Φωτογραφία:USGS)

Ορισμός τριχοειδούς δράσης

Η εκπληκτική άνοδος ενός υγρού σε ένα στενό σωλήνα ονομάζεται τριχοειδής δράση ή απλά, τριχοειδές. Η τριχοειδής δράση έχει συναρπάσει τόσο βαθιά τους ανθρώπους, στην πραγματικότητα, που η πρώτη εργασία του Αϊνστάιν δεν διερεύνησε την εσωτερική θεωρία του για την αιτία και το αποτέλεσμα ή τη βαρύτητα, ούτε απέδειξε τη σωματιδιακή φύση του φωτός. Αντίθετα, περιέγραψε τα Συμπεράσματα που εξήχθησαν από την Τριχοειδή Δράση , ένα χαρτί που τώρα καλύπτεται από τη φήμη των έγγραφων του θαυματουργού έτους.

Ο Ιρλανδός χημικός Ρόμπερτ Μπόιλ, ενθουσιασμένος από τις παρατηρήσεις «λίγων περίεργων Γάλλων» όπως το έθεσε, βύθισε ένα λεπτό σωληνάριο σε κόκκινο κρασί και είδε πώς, σε αντίθεση με τον υδράργυρο, το κρασί ανέβαινε σε ένα ορισμένο ύψος μέσα στο σωλήνα. Γιατί το νερό και το κρασί ανεβαίνει, όπως παρατήρησαν οι Γάλλοι και ο Boyle, αλλά ο υδράργυρος όχι; Τελικά, οι χημικοί συνειδητοποίησαν ότι το αν ένα υγρό θα ανέβει ή θα κατέβει εξαρτάται από δύο δυνάμεις:τις δυνάμεις συνοχής και πρόσφυσης μεταξύ των μορίων του υγρού και των μορίων του σωλήνα.

(Φωτογραφία:Quora)

Οι δυνάμεις συνοχής και προσκόλλησης

Οι δυνάμεις συνοχής είναι οι ελκτικές δυνάμεις που, όπως υποδηλώνει το όνομα, προκαλούν συνοχή ή συνδέουν τα μόρια του υγρού μεταξύ τους. Είναι οι δυνάμεις συνοχής που τροφοδοτούν την επιφανειακή τάση, την ιδιότητα ενός υγρού να αντιστέκεται στη διείσδυση. Υπάρχουν μεταξύ παρόμοιων ατόμων, όπως τα διακλαδισμένα άτομα υδρογόνου που αποτελούν το νερό.

Οι δυνάμεις πρόσφυσης δεν είναι τόσο διαφορετικές. Αυτές είναι επίσης ελκτικές δυνάμεις, αλλά η έλξη που ενθαρρύνουν δεν εκδηλώνεται μεταξύ παρόμοιων ατόμων, αλλά ανόμοιων ατόμων. Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, προκαλούν προσκόλληση ή κολλούν μια οικογένεια μορίων, σε αυτήν την περίπτωση, το υγρό, σε μια άλλη οικογένεια μορίων, εδώ, την τριχοειδή επιφάνεια.

Ένα υγρό θα ανέβει μόνο εάν οι δυνάμεις πρόσφυσης μεταξύ των μορίων του και των μορίων του σωλήνα είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις συνοχής μεταξύ των δικών του μορίων. Ένας σωλήνας, όπως το λεπτό στέλεχος ενός φυτού που μεταφέρει νερό και θρεπτικά συστατικά, προσελκύει και «τραβάει» το υγρό όλο και πιο ψηλά κατά μήκος της κολλητικής του επιφάνειας.

Ένα υγρό όπως ο υδράργυρος δεν ανεβαίνει σε έναν γυάλινο σωλήνα για τον απλό λόγο ότι οι δυνάμεις συνοχής του είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις πρόσφυσης μεταξύ αυτού και του γυαλιού. Στην πραγματικότητα, οι δυνάμεις συνοχής του υδραργύρου είναι τόσο ισχυρές που εμφανίζει αυτό που ονομάζεται τριχοειδής απώθηση:δεν ανεβαίνει αλλά, αντίθετα, κατεβαίνει χαμηλότερα στον σωλήνα! Ωστόσο, είναι επιτακτική ανάγκη να κατανοήσουμε ότι η τριχοειδής ικανότητα δεν είναι επομένως μόνο συνάρτηση των ιδιοτήτων του υγρού αλλά και της χημικής σύστασης του σωλήνα.

Καθώς το υγρό ανεβαίνει, η κορυφή της επιφάνειάς του παίρνει ένα κοίλο σχήμα. Αυτό αντιπροσωπεύει τη διαμάχη στην οποία εμπλέκονται συνεχώς οι δυνάμεις πρόσφυσης και συνοχής. Τελικά, καθώς όλο και περισσότερο νερό εισέρχεται στον σωλήνα, οι δυνάμεις συνοχής αποκτούν αρκετή δύναμη ώστε να αναιρούν τις δυνάμεις πρόσφυσης:επιτυγχάνεται ισορροπία, η οποία είναι εμφανής από την επιπέδωση της κοίλης επιφάνειας.

Το Ύψος

Το ύψος της τριχοειδούς ανόδου καθορίζεται από αυτή την εξίσωση:

Μπορεί κανείς να διακρίνει ότι το ύψος στο οποίο θα ανέβει ένα υγρό είναι αντιστρόφως ανάλογο με την ακτίνα του σωλήνα. Όσο πιο φαρδύς είναι ο σωλήνας, τόσο μικρότερη είναι η ανάταση. Αυτό συμβαίνει επειδή ένας φαρδύτερος σωλήνας θα σημαίνει ότι μικρότερη ποσότητα υγρού έρχεται σε επαφή με την επιφάνειά του, γεγονός που λογικά προκαλεί μείωση των δυνάμεων πρόσφυσης.

(Φωτογραφία :courses.umass.edu)

Τέλος, ενώ οι δυνάμεις πρόσφυσης είναι αρχικά αρκετά ισχυρές για να υπερνικήσουν την έλξη της βαρύτητας, η βαρύτητα θα βγει τελικά νικήτρια. Καθώς το νερό συσσωρεύεται στο σωλήνα, σε ένα ορισμένο ύψος, η μάζα του υγρού γίνεται πολύ μεγάλη για να ανυψωθούν οι δυνάμεις πρόσφυσης. Σε αυτό το ύψος, οι διαμοριακές δυνάμεις νικούνται εντελώς από τη βαρυτική δύναμη.