ما هو التوتر السطحي

هل شاهدت يومًا مشبك ورقٍ طافيًا على سطح الماء وتساءلت عن سبب حدوث ذلك؟ وكيف لا يغرق ذلك المشبك بمجرد أن لامس سطح الماء؟ وفقًا لعلوم الفيزياء، فهذا في الواقع تأثير التوتر السطحي للسائل.

تعتبر قوى التماسك بين جزيئات السوائل سبب حدوث ظاهرة التوتر السطحي؛ حيث لا تمتلك الجزيئات على سطح كأسٍ من الماء جزيئات مجاورة لها في كل الاتجاهات للارتباط بها، فتزداد نتيجةً لذلك قوى تماسكها مع تلك المحيطة بها مما يسبب صعوبةً أكبر في تحريك جسمٍ غريبٍ خلال سطح السائل بالمقارنة مع جسمٍ مغمورٍ تمامًا بالماء.

أي أن التوتر السطحي الناتج عن تجاذب خلايا سطح السائل يعطي مقاومةً أكبر للسطح ضد أي قوةٍ خارجيةٍ مطبقةٍ عليه تتواجد هذه المقاومة فقط على سطح السائل، بينما تنعدم داخله بسبب تواجد جزيئاتٍ كافيةٍ حول أي جزيءٍ من السائل للارتباط، وبسبب هذه الظاهرة يمكن لبعض الأجسام الصغيرة أن تطفو على سطح الماء بشرط ألا تكسر أول طبقةٍ من جزيئات السائل بحيث يصبح سطح السائل كغشاءٍ مرنٍ.

تبقى مميزات التوتر السطحي للسائل ثابتةً بشكلٍ عام، ولكن يمكن أن تتغير بتغير درجات الحرارة، وتأثير المواد الكيماوية والأكسدة أو وجود الشوائب.

يمكن تعريف التّوتر السطحي بحاصل قسمة القوة المطبقة على سطح سائلٍ ما على المسافة التي تطبق عليها القوة
γ = F /d؛ حيث إنّ:

هناك العديد من المفاهيم الأُخرى المهمة التي ترتبط بالتوتر السطحي، أولها فكرة قوى التلاصق والتماسك؛ فقوى التماسك هي تلك التي تجمع السائل بحيث يغطي أقل مساحةٍ ممكنةٍ من مساحة السطح، وقوى التلاصق هي تلك التي تحاول تشكيل السائل بشكلٍ يجعله ينتشر على أكبر قدرٍ ممكنٍ من مساحة السطح.

إذا كانت قوى التماسك أقوى من قوى الالتصاق، فإن جسم الماء سوف يحافظ على شكله، وإذا كان العكس صحيحًا فإن السائل سوف ينتشر، بما يزيد من مساحة السطح. كما تسمى أي مادةٍ يمكنك إضافتها إلى سائلٍ بما يسمح بزيادة مساحة سطحه بمادة ترطيبٍ.