نمایش مبدأ برای کشش سطحی

{{مکانیک محیط‌های پیوسته}}
[[پرونده:Paper Clip Surface Tension 1 edit.jpg|بندانگشتی|چپ|220px|گیره‌های کاغذ در اثر کشش سطحی روی آب ایستاده‌است.]]
[[پرونده:Water_drop_animation_enhanced_small.gif|چپ|frame|کشش سطحیِ قطره‌ای در حال چکیدن از [[شیر (وسیله)|شیر]]]]
'''کشش سطحی'''  ویژگی‌ای در [[مایع]]‌ها است که باعث می‌شود لایه بیرونی آن‌ها به صورت ورقه‌ای [[کشسان]] عمل کند. این همان ویژگی‌ای است که موجب ربایش دو سطح [[مایع]] به یکدیگر می‌شود؛ مانند دو قطرهٔ [[آب]] که همدیگر را می‌ربایند و قطرهٔ بزرگ‌تری می‌سازند.
کشش سطحی کمیتی است که [[بعد (کمیت)|بعد]] [[نیرو]] در واحد [[طول]] یا [[انرژی]] در واحد [[سطح]] دارد و در [[فیزیک]] معمولاً با <math>\gamma</math> نشان داده می‌شود.
کشش سطحی را همچنین می‌توان مقدار [[کار (فیزیک)|کار]] لازم برای ایجاد واحد سطح مشترک جدید در نظر گرفت.

== علت ==
[[پرونده:WassermoleküleInTröpfchen.svg|بندانگشتی|نمودار نیروهای وارد شده به دو [[مولکول]] از [[مایع]].]]
هر [[مولکول]] مایع از سوی مولکول‌های دیگرِ مایع ربوده می‌شود. مولکول‌هایی که درون حجم مایع هستند، از همه جهت ربوده می‌شوند و برآیند نیروی وارد به آن‌ها صفر است. اما مولکول‌هایی که در سطح مایع هستند، تنها از یک جهت از سوی دیگر مولکول‌ها ربوده می‌شوند و نیروی ربایش در آن سوی مرز مایع (مثلاً از طرف مولکول‌های هوا) به آن‌ها کمتر است؛ بنابراین، به مولکول‌های روی سطح مایع نیروی خالصی به سمت درون وارد می‌شود که این نیرو با مقاومت مایع در برابر فشرده‌شدن خنثی می‌شود. در نتیجه، نیرویی در مایع به وجود می‌آید که می‌خواهد سطح مایع را کم کند. از همین رو سطح مایع به شکل ورقه‌ای [[کشسانی|الاستیک]] عمل می‌کند و آن قدر جمع می‌شود که کمترین سطح ممکن را داشته باشد.

راه دیگر برای توضیح کشش سطحی این است که یک مولکول اگر در کنار مولکول همسایه‌اش باشد، انرژی‌اش کمتر از وقتی است که کنار آن همسایه نباشد. مولکول‌های درونی بیشترین تعداد همسایه‌های ممکن را دارند؛ ولی مولکول‌هایی که در سطح هستند همسایه‌های کمتری دارند و بنابراین انرژی‌شان بیشتر از انرژی مولکول‌های درونی است؛ بنابراین، وقتی که مایع می‌خواهد انرژی کلش را [[کمینه]] کند، می‌کوشد تا از شمار مولکول‌های سطحی‌اش بکاهد، و این یعنی یک مایع می‌خواهد کمترین سطح ممکن را داشته باشد.

برای کاستن از سطح، یک مایع همیشه هموارترین شکل ممکن را در سطح خود می‌گیرد (اثبات ریاضی این که چرا هموارترین سطح متناظر است با کمترین مساحت نیازمند [[معادله اویلر-لاگرانژ|قضیهٔ اویلر-لاگرانژ]] است). هر خمیدگی تازه بر روی سطح به مساحت بیشتر و در نتیجه انرژی بیشتر می‌انجامد.

در واقع علت ایجاد سطح مقاوم به نیرو در سطح مایعات مقاومت مایع در برابر تغییر مساحت خارجی است 

زیرا مایع تمایل دارد در حالت سطح کمینه باقی بماند دلیل دیگر مقاومت [[نیروی بین مولکولی|نیروهای بین مولکولی]] سطح (واندروالسی) در برابر فاصله گرفتن از هم است

== نمایش سطح‌های کمینه با سطح مایع ==
[[پرونده:Površinska napetost milnica.jpg|بندانگشتی|سطح کمینه]]
اگر بخواهیم رویهٔ دوبعدی‌ای را بیابیم که میان مرزهای مشخصی قرار بگیرد و کمترین سطح ممکن را داشته باشد، شاید با [[ریاضیات]] به سختی به نتیجه برسیم؛ ولی به جایش می‌توانیم مرزها را با سیم بسازیم و آن را درون ظرفی پر از آب و صابون فرو ببریم. لایهٔ حباب صابونی که بین سیم‌ها ساخته می‌شود به تقریب نشان‌دهندهٔ رویه‌ای با کمترین سطح ممکن است (اگر [[گرانش زمین]] نبود دقیقاً کمترین سطح را می‌ساخت).<ref>{{یادکرد|فصل=|کتاب=|ناشر= |شهر= |کوشش= |ویرایش= |سال=|شابک=|نویسنده=Aaronson, {{چر}}Scott |نویسندگان سایر بخش‌ها=|ترجمه=|صفحه= |زبان=en |عنوان = NP-Complete Problems and physical reality. | پیوند = http://www.scottaaronson.com/papers/npcomplete.pdf |ژورنال= |نشریه=SIGACT News |تاریخ= |دوره= |شماره= |شاپا=}}</ref>

== اثرها ==
=== اثر مویینگی ===
[[پرونده:CapillaryAction.svg|بندانگشتی|180px|نمایش اثر مویینگی برای دو لوله از جنس‌های متفاوت. [[چسبندگی]] آب به لولهٔ قرمزرنگ بیشتر و به لولهٔ آبی‌رنگ کمتر از چسبندگی آب به خودش است.]]
اثر [[مویینگی]] یعنی بالاآمدن سطح مایع درون لوله‌ای که درون مایع فروبرده شده‌است. اگر لوله به قدر کافی باریک باشد و [[چسبندگی]] آب به لوله زیاد باشد، کشش سطحی می‌تواند آب را در لوله بالا بکشد. ارتفاع آب بالاآمده برابر است با
::<math>h\ =\ \frac {2\gamma_\mathrm{la} \cos\theta}{\rho g r}</math>

که در آن

:* <math>\scriptstyle h</math> ارتفاع مایع بالاآمده‌است.
:* <math>\scriptstyle \gamma_\mathrm{la}</math> کشش سطحی بین مایع و ظرف.
:* <math>\scriptstyle \rho</math> چگالی مایع است.
:* <math>\scriptstyle r</math> شعاع لولهٔ مویین است.
:* <math>\scriptstyle g</math> شتاب گرانش است.
:* <math>\scriptstyle \theta</math> زاویهٔ تماس مایع و سطح لوله است. اگر <math>\scriptstyle \theta</math> بیشتر از {{چر}}۹۰°{{چر}} باشد، مثل [[جیوه]] در لولهٔ شیشه‌ای، مایع به جای بالاآمدن پایین می‌رود.
{{پاک‌کن}}

=== شکستن جریان مایع به قطره ===
[[پرونده:SurfTensWavyJet.png|بندانگشتی|240px|حالت میانی جریانی که به قطره شکسته می‌شود.]]
جریان آبی که از شیر می‌آید، هر چه‌قدر هم که یکنواخت باشد، قطره‌قطره می‌شود. این به خاطر پدیده‌ای به نام [[ناپایداری پلاتو-ریلی]] است.<ref name="cwp">{{یادکرد|فصل= |کتاب=Capillary and Wetting Phenomena — Drops, Bubbles, Pearls, Waves|ناشر= Springer|شهر= |کوشش= Alex Reisinger (translator)|ویرایش= |سال= 2002 |شابک=0-387-00592-7 |نویسنده= Pierre-Gilles de Gennes, Françoise Brochard-Wyart, David Quéré|نویسندگان سایر بخش‌ها=|ترجمه=|صفحه= |زبان=en |مقاله= |ژورنال= |نشریه= |تاریخ= |دوره= |شماره= |شاپا=}}</ref> که خود پیامد مستقیمی از کشش سطحی است.

=== اثر ساختارهای یونی بر کشش سطحی ===
کشش سطحی آب در صفر [[سلسیوس|درجه سانتیگراد]] برابر با 75.64 dyn/cm است درحالیکه کشش سطحی برای یک محلول 6M نمک طعام برابر 82.55 dyn/cm است، زیرا کشش سطحی در واقع نتیجهٔ نیروهای واندروالسی میان مولکولی است و هر چه این نیروها قویتر باشند، کشش سطحی نیز بیشتر می‌شود. افزایش ذره‌ای قطبی و یونی مانند [[سدیم کلرید]] به آب مایه آن می‌شود که جاذبهٔ میان ذرات بیشتر شود، زیرا جاذبهٔ میان ذرات یونی و مولکول‌های آب قویتر از جاذبهٔ میان مولکول‌های آب به تنهایی است، بنابراین کشش سطحی در این محلول‌های بیشتر از کشش سطحی آب خالص است.<ref>واحد مشاوره مؤسسه تبیان ا</ref>

=== اثر ساختارهای مولکولی بر کشش سطحی ===
ساختارهای مولکولی باعث از میان رفتن ویژگی کشش سطحی مایعات می‌شوند، مانند [[مواد شوینده]] که با شکستن کشش سطحی آب باعث رفتن مواد پاک‌کننده و آب به درون پارچه شده و پارچه را تمیز می‌کنند البته شکسته شدن کشش سطحی مایعات تنها تا نقطه بحرانی (CMC) صورت می‌گیرد و پس از آن کشش سطحی ثابت می‌ماند؛ بنابراین بکارگیریِ غلظت‌های بالای ساختارهای مولکولی مانند [[مواد شوینده]] مایه شکسته شدن بیشتر کشش سطحی نمی‌شود.

== کشش سطحی در پدیده‌های روزمره ==
[[پرونده:Wasserläufer bei der Paarung crop.jpg|چپ|250px|بندانگشتی|حشره‌ای که به کمک کشش سطحی آب شناور مانده‌ و درحال [[جفت‌گیری]] است.]]
کشش سطحی آب:
* دانه‌دانه‌شدن قطره‌های باران روی سطح خودرو. آب به سطوح روغنی بسیار کم جذب می‌شود و به خودش به‌شدت جذب می‌شود. از همین رو، روی سطح خودرو قطره تشکیل می‌دهد.

کشش سطحی در پدیده‌های دیگری هم رخ می‌دهد، مثلاً در موادی که کشش سطحی آن‌ها کم است:
* [[حباب صابون]] سطح بسیار بزرگی با مادهٔ بسیار کمی دارد. قطره‌هایی که از آب ساخته‌شده‌اند ناپایدارند.

== نگارخانه ==
<gallery>
پرونده:Dew 2.jpg|<!--'''A.''' Water beading on a leaf-->
پرونده:Water drop animation enhanced small.gif|<!--'''B.''' Water dripping from a tap-->
پرونده:WaterstriderEnWiki.jpg|<!--'''C.''' [[Water strider]]s stay atop the liquid because of surface tension-->
پرونده:1990s Mathmos Astro.jpg|<!--'''D.''' [[Lava lamp]] with interaction between dissimilar liquids; water and liquid wax-->
</gallery>

== جستارهای وابسته ==
* [[علم سطح]]
* [[چسبندگی]]

== منابع ==
{{ویکی‌انبار-رده|Surface tension}}
{{پانویس}}

{{پزشکی غواصی، فیزیولوژی و فیزیک}}
{{علوم غواصی}}
{{داده‌های کتابخانه‌ای}}

[[رده:تعاریف فیزیک]]
[[رده:دینامیک سیالات]]
[[رده:شیمی سطح]]
[[رده:علم سطح]]
[[رده:فیزیک ماده چگال نرم]]
[[رده:مفاهیم فیزیکی]]
[[رده:مکانیک سیالات]]
[[رده:نیروهای بین‌مولکولی]]