Zgodnie z prawami fizyki na zwisające krople oddziałuje siła ciężkości, jednak musi też działać siła lub suma różnych sił, która przeciwdziała grawitacji naszej planety.

O napięciu powierzchniowym wspomina się najczęściej, gdy obserwujemy utrzymujące się na powierzchni wody przedmioty lub owady. Czy to ono może przyczyniać się do utrzymywania zwisającej kropli w bezwładzie?

Moneta na wodzie ma większą gęstość od wody – cząsteczki ja tworzące są upakowane ciaśniej, więc powinna zatonąć. Unosi się jednak na powierzchni dzięki napięciu powierzchniowemu. Przebijając powierzchniową błonkę wody zaburza się układ i moneta może zatonąć.

Uparte cząsteczki

Napięcie powierzchniowe to zjawisko, które wynika z oddziaływań pomiędzy molekułami (cząsteczkami) cieczy. Dzięki temu jej powierzchnia, na styku z inną cieczą, ciałem stałym lub gazem, może zachowywać się jak sprężysta błona. Napięcie powierzchniowe wpływa na powstawanie menisku wypukłego, czyli zakrzywienia powierzchni cieczy na granicy między nią, a – w tym przypadku – powietrzem.

Cząsteczki wody oddziałują ze sobą nawzajem w całym naczyniu. Na powierzchni wody cząsteczki nie chcą oderwać się od reszty cieczy – nawet gdy dodajemy więcej wody, niż może pomieścić naczynie. Powstaje wodna kopuła okalająca otwór naczynia, która niestety ma swoją „wytrzymałość”. Jeśli dodamy wodę zbyt szybko lub wlejemy ją ze zbyt dużej wysokości, zaburzając powierzchnię, ciecz tworząca menisk wyleje się z naczynia. Taka sytuacja pojawi się również, gdy dolejemy za dużo wody.

Tworzenie menisku wypukłego. W doświadczeniu użyto zwykłej wody, do której dodany został czerwony atrament. Nie jest to sok pomarańczowy ani malinowy 🙁

Zróbcie to sami: Meniskowa skarbonka
Rzeczy potrzebne do doświadczenia:

a/. szklanka, b/. woda, c/. monety, d/. ręcznik papierowy lub miska.

Na ręczniku papierowym lub w misce postawcie szklankę. Wlejcie do niej wodę aż po brzegi (tak, aby woda się nie wylała i aby nie stworzył się jeszcze menisk wypukły). Wrzucajcie monety pojedynczo i powoli do szklanki z wodą, tak jak do zwykłej skarbonki (cienką krawędzią w kierunku powierzchni wody). Ile monet zmieściło się w waszej szklance, zanim wylała się woda z menisku? Czy bardziej opłacalne będzie wrzucanie monet o wyższym nominale? W komentarzu na FB Cogiteon pochwalcie się jaką kwotę udało Wam się uzbierać!

Kiedy ona w końcu spadnie?

Siły napięcia powierzchniowego wpływają również na kształt kropel oraz przeciwdziałają ich spadaniu (problemy te pod względem fizycznym są bardziej skomplikowane i wpływ na nie mają również takie zjawiska i wielkości fizyczne jak adhezja, siły aerodynamiczne czy kąt nawilżenia).

Wyobraźcie sobie kroplę kołyszącą się na krawędzi kranu. Ona w końcu spadnie. Przyczyni się do tego siła ciężkości, która jest tym większa im większa masa kropli. Gdy więc kran jest odrobinę nieszczelny woda dopływa, powodując zwiększenie masy i rozmiarów kropli. Momentem kulminacyjnym jest powstanie przewężenia wiszącej kropli przy jej nasadzie. Po oderwaniu kropli, część wody pozostaje na krawędzi, więc kolejna może tworzyć się w tym miejscu. Spektakl ten można oglądać do czasu, gdy skończy się dopływająca woda lub cierpliwość obserwatora.

Oczywiście grawitacji można pomóc i wymusić na kropli spadek. Przykładowymi metodami na zaburzenie układu może być zdmuchnięcie kropli przez wiatr lub poruszenie obiektem, na powierzchni którego znajduje się wisząca kropla – wystarczy owad, który postanowi przejść się na spacer po liściu, z powierzchni którego zwisa kropla wody lub poruszenie kranem, czy czubkiem nosa, na którym zebrała się woda.

Ciekawostka
By zmierzyć napięcie powierzchniowe można użyć przyrządu, który nazywa się stalagmometr. W bardzo dużym uproszczeniu można by go przyrównać do kapiącego kranu. Z masy spadającej kropli można wyznaczyć jej ciężar, który, w momencie oderwania się kropli, jest równy sile napięcia powierzchniowego.