دسته‌ها
دانستنی های فیزیک فیزیک دهم ویژگی های فیزیکی مواد

اثر مویینگی

اثر مویینگی (Capillarity): این پدیده بر اثر اختلاف بین اندازه ی نیروی چسبندگی سطحی (دگر چسبی) با چسبندگی بین مولکول های یک مایع (هم چسبی) به وجود می آید. هر گاه قسمتی از یک لوله با قطر کم (لوله مویین) را به طور عمودی وارد یک مایع کنیم با توجه به نوع مایع و اینکه مایع لوله مویین را تر می کند یا نه، مایع در لوله بالا یا پایین می رود. در شکل زیر مشاهده می کنید که آب در لوله مویین بالاتر از سطح مایع داخل ظرف قرار گرفته و جیوه در لوله مویین پایین تر از سطح جیوه داخل ظرف قرار گرفته است.

danestani moiin st 00 اثر مویینگی

چرا آب در لوله مویین بالا می رود و سطح آن بالاتر از سطح آب ظرف قرار می گیرد ؟

چون نیروی چسبندگی سطحی (دگر چسبی) بین مولکول های آب و شیشه قوی تر از چسبندگی مولکول های آب به یکدیگر (هم چسبی) است، آب در لوله مویین بالا می رود.

چرا سطح آب در لوله مویین دارای فرورفتگی است ؟

برایند نیروهای چسبندگی سطحی به طرف بالا می باشد و آب را در کناره ها به سمت بالا می کشد و نیروی وزن آب به سمت پایین وارد می شود و موجب فرورفتگی آب در لوله مویین می شود.

آب تا چه اندازه در لوله مویین بالا می رود ؟

آب تا جایی در لوله مویین بالا می رود که وزن آن مقدار آب که بالاتر از سطح آب در بیرون لوله است، با برایند نیروهای چسبندگی سطحی برابر شود. در ادامه این موضوع را اثبات خواهیم کرد.

danestani moiin st 01 اثر مویینگی

در شکل بالا T برایند نیروهای چسبندگی سطحی است که به سمت بالا به مایع وارد می شود. چون مولفه های افقی نیروی F یکدیگر را خنثی می کنند و فقط مولفه های قائم نیروی F یعنی Fcosφ باقی می ماند که ما آن را با T نشان می دهیم و به سمت بالاست .

و از مبحث فشار در شاره ها می دانیم که نقاط هم تراز یک مایع با یکدیگر هم فشارند. یعنی :

danestani moiin st 02 اثر مویینگی

که در رابطه بالا S مساحت سطح مقطع لوله است.

danestani moiin st 03 اثر مویینگی

hS حجم مایع بالا آمده از ظرف می باشد. و از طرفی از رابطه چگالی خواهیم داشت :

danestani moiin st 04 اثر مویینگی

m=ρV در این رابطه جرم آب بالا آمده از سطح ظرف است.

مشاهده کردید که آب تا جایی بالا می آید که برایند نیروهای دگر چسبی برابر با نیروی وزن آب بالا آمده از سطح ظرف شود.

حال می خواهیم مقدار آب بالا آمده را بدست آوریم.

نیروی Fcosφ به محیط دایره ای به شعاع r وارد می شود . یا می توانیم بگوییم مولفه قائم چسبندگی سطحی (surface tension) که آن را با ϒcosφ نشان می دهیم، فشاری است که به محیط دایره ای به شعاع r وارد می شود. (یکای ϒ نیوتون بر متر است و برای آب ۲۰ درجه سلسیوس ϒ=۰٫۰۷۲۸N/m است.) و همچنین فشار ناشی از وزن آب بالا آمده به مساحت دایره ای به شعاع r وارد می شود. در نتیجه خواهیم داشت :

danestani moiin st 05 اثر مویینگی

با ساده کردن عبارت فوق، مقدار آب بالا آمده از سطح ظرف را می توان بدست آورد.

danestani moiin st 06 اثر مویینگی

r شعاع مقطع لوله مویین است.

در رابطه فوق مشاهده می کنیم که h با r رابطه وارون دارد. یعنی هر چه لوله مویین باریک تر باشد، آب بیشتر بالا می رود.

چرا جیوه در لوله مویین پایین می رود و سطح آن پایین تر از سطح جیوه درون ظرف قرار می گیرد؟

چون نیروی چسبندگی سطحی بین مولکول های جیوه و شیشه (دگر چسبی) کمتر از نیروی چسبندگی بین مولکول های جیوه (هم چسبی) است، مولکول های سطح جیوه در داخل لوله را مولکول های زیرین به پایین می کشند. همچنین برایند نیروهای چسبندگی سطحی به طرف پایین است.

چرا سطح جیوه در لوله مویین دارای برامدگی است ؟

فشار مایع و کشیده شدن مولکول های کناری به طرف وسط لوله باعث می شود که سطح جیوه در داخل لوله اندکی برآمده شود.

جیوه تا چه اندازه ای در لوله مویین پایین می رود؟

جیوه تا جایی در لوله مویین پایین می رود که وزن آن مقدار جیوه که پایین تر از سطح جیوه می توانست در لوله باشد(وزن جیوه به ارتفاع h و مساحت s)،با برایند نیروهای چسبندگی سطحی برابر شود. در ادامه به اثبات این موضوع می پردازیم.

danestani moiin st 07 اثر مویینگی

با توجه به هم فشاری نقاط هم تراز در یک مایع، خواهیم داشت:

danestani moiin st 08 اثر مویینگی

اگر سطح لوله مویین را با روغن چرب کنیم و آن را در ظرف آب فرو ببریم، رفتاری مانند جیوه انجام می دهد. چون نیروی چسبندگی سطحی بین مولکول های آب و شیشه کاهش می یابد و کمتر از نیروی هم چسبی مولکول های آب می شود.

یکی از دلایل بالا رفتن آب و به همراه آن مواد معدنی در گیاه ها و درخت ها همین اثر مویینگی است.(دلایل دیگری نیز در بالارفتن آب در درخت ها نیز وجود دارد و فقط مویینگی به تنهایی نمی تواند موجب آن شود.)

اثر مویینگی موجب کشیده شدن آب به داخل ساختمان ها از طریق روزنه های موجود در مصالح ساختمانی می شود. به همین دلیل ساختمان ها را عایق بندی می کنند.

در فیلم زیر مشاهده می کنید که چگونه اثر مویینگی باعث می شود تا آب از یک ظرف به یک ظرف دیگر از طریق یک کاغذ منتقل شود.

این مقاله توسط مصطفی کبیری مدیریت فیزیکفا نوشته شده است.


ویدیو آموزشی اثر مویینگی

در این ویدیو که توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است، مطالب بالا ( اثر مویینگی، بررسی رفتار آب و جیوه در لوله مویین، میزان بالا رفتن آب و پایین آمدن جیوه در لوله مویین) توضیح داده می شود.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات


منابع

۱-فیزیک هالیدی، کرین،رزنیک.جلد۲

۲-فیزیک دهم. دفتر تالیف کتاب های درسی عمومی و متوسطه نظری

۳-مجله رشد آموزش فیزیک.شماره ۱، پاییز ۸۹

۴-capillary action(http://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Physical_Properties_of_Matter/Bulk_Properties/Capillary_Action)

۵-Capillary Action, Wikipedia, icklearrow اثر مویینگیhttp://en.wikipedia.org/wiki/Capillary_action




از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

22 دیدگاه دربارهٔ «اثر مویینگی»

سلام.میخواستم ببینم از لحاظ نظری ممکنه که بشه از خاصیت بالا روندگی برخی مایعات در لوله های مویین برای تولید انرژی استفاده بشه؟برای مثال در مورد آب اگر قطر لوله رو در حد چند دهم میلی متر در نظر بگیریم تا ارتفاع بیش از یک متر مایع بالا میاد و اگر تعداد این لوله ها رو زیاد(بیش از هزار عدد) کنیم میتونیم حجم قابل توجهی آب رو در ارتفاع نگهداریم و سپس بتونیم از این پتانسیل برای راه اندازی توربین آبی استفاده کنیم و برق تولید کنیم.حالا اگر از مایعات با چگالی پایین تر مثل برخی هیدروکربن های مایع استفاده کنیم ارتفاع بالا روندگی رو میتونیم بیشتر کنیم.ممکنه بگید طبق اصول ترمودینامیک نمیشه از هیچ انرژی گرفت ولی من میگم انرژی این حرکت میتونه از گرمای محیط تامین بشه و از دمای محیط استفاده کنه.منتظرم نظر شما رو در این مورد بشنوم.با تشکر

اگر هم بشود این کار کرد نتیجه مطلوب تولید برق را ندارد زیرا این حجم اب بالا رفته ان قدر وزن کمی دارد که ب ضعیف ترین توربین های تولید برق هم غلبه نمیکند و اصلا از لحاظ اقتصادی به صرفه نیست

بله بستگی به زاویه تماسی دارد با آغشته کردن سطح تماس به مایع دیگه و استفاده ازجامد مناسب

سلام
ببخشید توی فروملی که میگن ارتفاع بالا آمده=۲ در ضریب کشش سطحی در کسینوس زاویه برخورد هوا با مایع به روی چگالی در شعاع لوله در شتاب جاذبه
این زاویه برخورد هوا با مایع یعنی چی
و این که شعاع و چگالی به چه واحد هایی هستن
خیلی ممنون

همه واحد ها در SI هستند.
زاویه در شکل نشان داده شده است.

پاسخ

سلام …
اول اینکه تشکر میکنم از سایت فوق العاده تون خیلی ممنون از زحماتتون
بعدم ی سوال داشتم اون اینکه فناوری نانو هم ربطی به این نیرو های دگر چسبی و هم چسبی داره بله ؟

سلام من خیلی خیلی تشکر میکنم از سایت فوق العاده تون خیلی ممنون از زحماتتون
واقعا عالی بودید دست مریزاد °•

سلام به شما. امیدوارم حالتون خیلی خوب باشه. خیلی ممنون بابت مطالب و اطلاعات فوق العاده ای که دادین. یک سوال داشتم و این هست که اگر سر لوله ای که روی آب قرارش می دیم، را مسدود کنیم، چه تاثیری بر روی مقدار آبی که بالا می آید نی تواند داشته باشه؟ خیلی ممنون از شما.

تا زمانی که فشار بالای لوله مویین با فشار سطح أزاد مایع برابر باشند و برابر فشار هوا تاثیری نخواهد داشت.

پاسخ

سلام وقت بخیر فکر میکنم معادله ای که برای تعیین ارتفاع آب محاسبه شده اشتباه است. چون به لحاظ واحد رابطه قبل از h دو طرف تساوی یکسان نیستند!!!!

سلام وقت بخیر. من دقت نکرده بودم که نیرو با چسبندگی سطحی از این قسمت به بعد جایگذاری شده. ممنون

سلام، ممنون از مطالب خوب تون،، در قسمتی که برای جیوه اثبات کردید، میشه فرمول آخرش که برا آب بدست آوردید، برای جیوه هم بفرمایید، چون در جیوه با افزایش قطر لوله ارتفاع جیوه بالاتر می آید

سلام
وقت بخیر
در مورد لوله های غیرمویین به خاطر حضور فشار هوا ارتفاع ستون لوله ها(با قطرهای متفاوت) یکی هست، درسته؟ لوله های مویین چون قطر بسیار کمی دارند این اتفاق در موردشان صادق نیست. درسته؟

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *