Τριχοειδής δράση – Τι είναι και πώς λειτουργεί

Τριχοειδής δράση είναι η ροή ρευστού μέσω ενός στενού σωλήνα ή χώρου από επιφανειακή τάση, συνοχή και πρόσφυση. Για παράδειγμα, εάν τοποθετήσετε ένα λεπτό σωλήνα μέσα στο νερό, το νερό ρέει επάνω στο σωλήνα. Άλλα ονόματα του φαινομένου είναι τριχοειδές, τριχοειδική κίνηση και φιτίλι. Η τριχοειδής δράση δεν απαιτεί τη δύναμη της βαρύτητας. Στην πραγματικότητα, τα υγρά συχνά ανεβαίνουν σε στενό σωλήνα σε αντίθεση με τη βαρύτητα.

Δυνάμεις σε τριχοειδή δράση – Πώς λειτουργεί

Οι τρεις δυνάμεις που ευθύνονται σε μεγάλο βαθμό για την τριχοειδική δράση είναι η επιφανειακή τάση, η συνοχή και η πρόσφυση.

Η συνοχή εμφανίζεται όταν τα υγρά μόρια κολλάνε μεταξύ τους. Στην περίπτωση των μορίων του νερού, η συνοχή είναι υψηλή λόγω των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των μορίων.
Η πρόσφυση περιγράφει πόσο καλά κολλάνε τα υγρά μόρια στις επιφάνειες. Τα μόρια του νερού κολλάνε σε γυάλινες και πλαστικές επιφάνειες. Αντίθετα, τα άτομα υδραργύρου κολλάνε καλά μεταξύ τους, αλλά δεν έλκονται τόσο από την επιφάνεια ενός δοχείου.
Επιφανειακή τάση είναι η τάση σε ένα υγρό στη διεπιφάνειά του με τον αέρα που ελαχιστοποιεί την επιφάνεια του υγρού. Το νερό και ο υδράργυρος έχουν και τα δύο υψηλή επιφανειακή τάση. Σε ένα στενό σωλήνα, ο μηνίσκος που σχηματίζεται από αυτά τα δύο υγρά είναι κυρτός. Ωστόσο, το νερό καμπυλώνει προς το τοίχωμα του δοχείου, ενώ ο υδράργυρος σχηματίζει ένα στρογγυλεμένο σχήμα στο κέντρο ενός τριχοειδούς.
Η βαρύτητα επηρεάζει το πόσο μακριά ανεβαίνει ένα υγρό μέσα σε ένα τριχοειδές, καθώς ασκεί μια έλξη προς τα κάτω στο υγρό σε έναν κατακόρυφο σωλήνα.

Πολλά υγρά δρουν σαν νερό και ανεβαίνουν σε έναν τριχοειδή σωλήνα. Ωστόσο, υγρά όπως ο υδράργυρος ανεβαίνουν σε επίπεδο χαμηλότερο από αυτό του υγρού που περιβάλλει τον σωλήνα.

Ένας κυρτός μηνίσκος σχηματίζεται όταν τα μόρια έλκονται περισσότερο το ένα προς το άλλο παρά από το δοχείο. Για παράδειγμα, ο υδράργυρος σχηματίζει έναν κυρτό μηνίσκο στο γυαλί. Ένας κοίλος μηνίσκος σχηματίζεται όταν τα μόρια έλκονται περισσότερο από το δοχείο παρά μεταξύ τους. Για παράδειγμα, το νερό σχηματίζει έναν κοίλο μηνίσκο σε γυαλί. Το σχήμα του μηνίσκου εξαρτάται τόσο από τη σύνθεση του υγρού όσο και από αυτή του δοχείου. Για παράδειγμα, ο μηνίσκος του νερού στο πλαστικό είναι σχεδόν επίπεδος.

Παραδείγματα τριχοειδούς δράσης

Υπάρχουν πολλά γνωστά παραδείγματα τριχοειδούς δράσης στην καθημερινή ζωή:

Όταν τοποθετείτε ένα καλαμάκι σε ένα ποτήρι νερό, το επίπεδο του υγρού μέσα στο καλαμάκι είναι υψηλότερο από το ύψος του νερού στο ποτήρι.
Η τριχοειδής δράση προκαλεί την αύξηση της υγρασίας στο σκυρόδεμα και στο γυψοσανίδα.
Οι δακρυϊκοί πόροι (δακρυϊκοί πόροι) των ματιών αποστραγγίζουν συνεχώς τα δάκρυα από την επιφάνεια του ματιού.
Ένα φυτίλι κεριού απορροφά υγρό κερί που τροφοδοτεί συνεχώς μια φλόγα κεριού. Τα πινέλα βαφής και τα φυτίλια λαμπτήρων μαζεύουν υγρό με τον ίδιο τρόπο.
Οι χαρτοπετσέτες απορροφούν νερό με τριχοειδική δράση.
Τα υφάσματα που απομακρύνουν τον ιδρώτα έχουν επίσης τριχοειδική δράση.

Η κίνηση του νερού προς τα στελέχη και τους κορμούς των φυτών (διαπνοή) περιλαμβάνει τριχοειδή δράση, αλλά βασίζεται επίσης στην εξάτμιση από τα φύλλα και την οσμωτική πίεση από τις ρίζες.

Χρήσεις τριχοειδούς δράσης

Η τριχοειδική δράση έχει πολλές χρήσεις. Για παράδειγμα:

Οι στυλογράφοι συντάσσουν μελάνι χρησιμοποιώντας τριχοειδική δράση
Η χρωματογραφία λεπτής στρώσης και χαρτιού εφαρμόζει τριχοειδή δράση.
Οι τριχοειδείς σωλήνες είναι λεπτοί σωλήνες στην επιστήμη και την ιατρική που αντλούν μικρά δείγματα, όπως αίμα.

Candy Chromatography Project

Εφαρμόστε τριχοειδή δράση σε ένα διασκεδαστικό έργο χρωματογραφίας χαρτιού που διαχωρίζει τις χρωστικές σε πολύχρωμες καραμέλες.

Φόρμουλα για το ύψος του μηνίσκου

Βεβαιωθείτε ότι μετράτε τη στάθμη του υγρού σε τριχοειδές σωλήνα, δοκιμαστικό σωλήνα ή προχοΐδα στη γραμμή του μηνίσκου. Υπάρχει ένας τύπος για τον υπολογισμό του ύψους του μηνίσκου σε μια υγρή στήλη που αντιπροσωπεύει την τριχοειδική δράση:

h =2γcosθ / ρgr

Εδώ:

h είναι το ύψος του μηνίσκου στη στήλη του υγρού
γ είναι η επιφανειακή τάση στο περιβάλλον υγρού-αέρα
θ είναι η γωνία επαφής μεταξύ του υγρού και του τοιχώματος της στήλης
ρ είναι η πυκνότητα του υγρού
g είναι η επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας
r είναι η εσωτερική ακτίνα του σωλήνα

Χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο, σημειώστε την επίδραση της ακτίνας του σωλήνα. Όσο πιο λεπτός είναι ο σωλήνας, τόσο μικρότερη είναι η ακτίνα και τόσο πιο μακριά το υγρό ταξιδεύει από την τριχοειδική δράση.

Τύπος για τον όγκο μεταφοράς υγρών

Ένα ξηρό πορώδες μέσο, όπως μια χαρτοπετσέτα, απορροφά το υγρό με ρυθμό που επιβραδύνεται με την πάροδο του χρόνου. Υπάρχει ένας τύπος για τον υπολογισμό του όγκου που απορροφάται με την πάροδο του χρόνου:

V =SA√t

Εδώ:

V είναι ο όγκος του υγρού
S είναι η απορροφητικότητα ή η ικανότητα του μέσου για απορρόφηση μέσω τριχοειδούς δράσης
Α είναι η διατομή της υγρής περιοχής

Ο ρυθμός απορρόφησης υγρού εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, η διαπερατότητα και η υγρασία.

Αναφορές

Μπατσέλορ, Γ.Κ. (1967). Εισαγωγή στη Ρευστοδυναμική . Cambridge University Press. ISBN 0-521-66396-2.
de Gennes, Pierre-Gilles; Brochard-Wyart, Françoise; Quéré, David (2004). Φαινόμενα τριχοειδούς και διαβροχής . Σπρίνγκερ Νέα Υόρκη. ISBN 978-1-4419-1833-8. doi:10.1007/978-0-387-21656-0
Freeman, Scott (2014). Βιολογικές Επιστήμες . Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής:Pearson. ISBN 978-0-321-74367-1.
Liu, M.; et al. (2016). «Η εξάτμιση περιόρισε την ακτινική τριχοειδική διείσδυση σε πορώδη μέσα». Langmuir . 32 (38):9899–9904. doi:10.1021/acs.langmuir.6b02404