آیا تا به حال از خود پرسیده اید که چرا حشرات می توانند روی آب بایستند؟ آیا می توانید باور کنید که دلیل این اتفاق، همان دلیلی است که باعث تمیز شدن ظرف ها با مایع ظرفشویی می‌شود؟
مشاهدهٔ شماره ۱۱۲
مفاهیم کلیدی: فیزیک، انرژی، مایعات، مولکول، کشش سطحی
مقدمه:
آیا تا به حال از خود پرسیده اید که چرا حشرات می توانند روی آب بایستند؟ آیا می توانید باور کنید که دلیل این اتفاق، همان دلیلی است که باعث تمیز شدن ظرف ها با مایع ظرفشویی می شود؟ در حقیقت، اگر با دقت به اطراف خود نگاه کنید، متوجه خواهید شد که علت پدیده های بسیاری که در زندگی روزمره ی ما رخ می دهد به کشش سطحی آب مربوط می شود. در این فعالیت علمی، یک قایق مسطح خواهید ساخت که با کمک خاصیت کشش سطحی روی سطح آب حرکت می کند. با این کار بیشتر با مفهوم کشش سطحی آشنا خواهید شد.
پیش زمینه:
بی شک تا به حال بادکنک های زیادی را باد کرده اید و می دانید که این کار چقدر ساده است. دلیل آسان بودن این کار آن است که بادکنک مقاومت بسیار کمی در برابر کشیده شدن از خود نشان می دهد. اما چنانچه جنس بادکنک از لاستیکی کلفت تر و سخت تر باشد، به انرژی بیشتری برای باد کردن آن نیاز خواهید داشت، چرا که این بادکنک مقاومت بیشتری در برابر کشیده شدن از خود نشان می دهد. این یک مثال از خاصیت کشش سطحی مواد است. میزان کش آمدن بادکنک بستگی به مقاومت آن دارد که باید سعی کنید بر این مقاومت غلبه کنید. کشش سطحی ماده در واقع میزان انرژی لازم برای افزایش سطح آن به مقدار مشخص است.
مایعات نیز کشش سطحی دارند. مولکول های یک مایع به طور پیوسته در حال کشیدن و هل دادن یکدیگر به کمک بارهای الکتریکی بسیار کوچک هستند. درست مانند جذب و دفع چند آهنربا که در کنار هم قرار می گیرند، بسته به اینکه چه قطب هایی از آن ها در کنار هم قرار بگیرد. حال یک مولکول آب را در نظر بگیرید. این مولکول توسط مولکول های دیگر آب احاطه شده است و نیروهای جاذبه و دافعه بین این مولکول ها طوری موازنه می شود که مولکول در حالت تعادل قرار دارد و به سمتی کشیده نمی شود. اما روی سطح آب، یک مولکول آب فقط توسط مولکول های آب احاطه نمی شود؛ بلکه مولکول تحت تماس هوا نیز می باشد. پس نیروهای اطراف آن دیگر با هم خنثی نمی شوند و مولکول از حالت تعادل خارج می شود. به دلیل قوی تر بودن نیروی جاذبه ی بین مولکول های آب، این مولکول به سمت پایین و داخل آب کشیده می شود. این پایین کشیده شدن مولکول های سطحی آب، باعث ایجاد خاصیت کشش سطحی می شود.
مواد و وسایل مورد نیاز:
قیچی
یک تکه یونولیت صاف و مسطح حداقل در ابعاد 3 در 3 اینچ (می توانید از یونولیت هایی که در جعبه های بسته بندی وجود دارند استفاده کنید.)
چاقو
یک تکه ابر ظرفشویی (بهتر است نو باشد، در غیر این صورت آن را به خوبی بشویید تا کاملاً تمیز شود.)
خلال دندان
سینک ظرفشویی بزرگ
مایع ظرفشویی یا مایع لباسشویی
آب
قطره چکان
خط کش (اختیاری)
آماده سازی:
با کمک یک بزرگتر، یونولیت را به صورت یک مستطیل 3 در 2 اینچ و یا 4 در 3 اینچ ببرید. این یونولیت درواقع قایق شما خواهد بود. می توانید به جای مستطیل، آن را به یک شکل دیگر ببرید. البته شکلی که می برید حتماً باید متقارن باشد، طول آن بیشتر از 6 اینچ نباشد و یکی از ضلع های آن حداقل به اندازه ی 2 اینچ صاف (خط راست) باشد.
روی یکی از عرض های مستطیل، با فاصله ی نیم اینچ از عرض، به کمک چاقو یک مربع در داخل یونولیت به ابعاد 1 در 1 اینچ ببرید. این مربع خالی قسمت عقبی قایق شما خواهد بود.
حالا با کمک یک بزرگتر، یک تکه ی مربعی شکل از ابر ظرفشویی به ابعاد 1 در 1 اینچ ببرید. این تکه ابر باید در سوراخ مربعی شکل انتهای قایق تان قرار بگیرد، پس ابعاد این دو را با هم تطبیق دهید تا ابر محکم در جای خود بماند. به نظر شما این تکه ابر چطور می تواند باعث حرکت قایق شود؟
یک خلال دندان را به صورت افقی از داخل تکه ابر رد کنید و لبه های خلال دندان را طوری روی قایق قرار دهید تا ابر را در عقب قایق نگه دارد و مانع از افتادن آن از جای خود شود. سعی کنید تا جایی که می توانید خلال دندان را در بالای تکه ابر فرو کنید تا هنگام قرار دادن در عقب قایق، بیشترین مقدار ابر در آب فرو رود. به نظر شما چه اهمیتی دارد که تکه ابر حتماً داخل آب قرار بگیرد؟
حالا با کمک یک بزرگتر، آن قسمت نازک یونولیت باقی مانده در انتهای قایق را جدا کنید. البته مراقب باشید که آن را به اندازه ی ضلع مربع نبرید تا تکه ابر موقع قرار گرفتن در آب از جای خود تکان نخورد. برای مثال اگر طول ضلع تکه ابر 1 اینچ است، حدود نیم اینچ یا سه چهارم اینچ از قسمت نازک انتهای قایق را ببرید و از هر دو طرف مقداری را باقی بگذارید. (دلیل بریدن انتهای یونولیت این است که برای حرکت قایق در آب، بهتر است مقداری آب به طور مستقیم از سمت عقب قایق به تکه ابر برسد. اما گوشه های یونولیت نباید بریده شوند تا مانع از جدا شدن تکه ابر از قایق و رفتن آن به داخل آب شوند.
قایق شما اکنون آماده است!
روش کار:
سینک ظرفشویی را پر از آب کنید. سینک باید تا حدی بزرگ باشد که قایق بتواند به راحتی در آن حرکت کند.
زمانی که آب ساکن شد، قایق را روی سطح آن قرار دهید. مراقب تکه ابری که در انتهای قایق قرار داده اید باشید تا از جایش خارج نشود.
زمانی که قایق روی سطح آب ساکن شد، یک یا دو قطره مایع ظرفشویی یا مایع لباسشویی روی تکه ابر انتهای قایق بریزید. دقت داشته باشید که این قطره ها به هیچ وجه داخل آب نیفتد. می توانید برای دقت بیشتر در این کار، از قطره چکان استفاده کنید.
با ریختن این قطره ها چه اتفاقی برای قایق تان می افتد؟ چطور حرکت می کند؟
اگر می خواهید حرکت قایق را دوباره مشاهده کنید، باید آب سینک را خالی کنید و دوباره آب تمیز داخل آن بریزید. همچنین باید قایق تان را بشویید، به خصوص تکه ابر انتهای آن که باید به طور کامل از مایع شوینده پاک شود. سپس مراحل قبل را تکرار کنید تا مجدداً حرکت قایق را مشاهده کنید.
با توجه به این نکته که مواد شوینده باعث کاهش کشش سطحی آب می شوند، می توانید توضیح دهید چرا قایق به این شکل حرکت می کند؟
آزمایش های تکمیلی:
می توانید این آزمایش را با استفاده از مواد دیگری به جای مایع ظرفشویی یا لباسشویی انجام دهید تا متوجه تأثیر آن ها بر روی کشش سطحی آب شوید. برای مثال، می توانید از انواع مایع های شوینده، خمیر دندان، روغن گیاهی، نمک خوراکی و غیره استفاده کنید. آیا تأثیر مواد مختلف بر روی کشش سطحی آب و به دنبال آن نحوه ی حرکت قایق تان یکسان است؟
می توانید اندازه و شکل قایق تان را عوض کنید و آزمایش را تکرار کنید. تغییر شکل و وزن قایق چه تأثیری روی نحوه ی حرکت آن توسط خاصیت کشش سطحی می گذارد؟
به نظرتان چگونه می توانید طراحی قایق تان را عوض کنید تا به بهترین شکل کار کند؟ آیا می توانید آن را طوری بسازید که سریع تر و یا در مسیر مستقیم تری حرکت کند؟
مشاهده و نتیجه گیری:
آیا قایق به سمت جلو و درواقع در جهت مخالف انتهای قایق، جایی که تکه ابر را قرار دادید حرکت کرد؟
در این آزمایش باید مشاهده کرده باشید که با اضافه کردن یک یا دو قطره مایع ظرفشویی یا لباسشویی روی تکه ابر انتهای قایق، این وسیله به سرعت در جهت مخالف آن حرکت می کند.
با ورود مایع ظرفشویی یا لباسشویی به داخل آب، کشش سطحی آب کاهش می یابد. موادی که باعث کاهش کشش سطحی آب می شوند مواد سطح فعال (Surfactant) نام دارند که مولکول های آب را از هم جدا می کنند. در این فعالیت علمی، کشش سطحی آب در عقب قایق در اثر نفوذ مواد سطح فعال (مانند مایع ظرفشویی یا لباسشویی) کاهش می یابد. به همین دلیل، مناطقی از آب که کشش سطحی بالاتری دارند (جلوی قایق) آن را به سمت جلو می کشند. پس از گذشت زمان، با پخش شدن ماده ی شوینده در کل آب، کشش سطحی همه ی مناطق کاهش می یابد و قایق از حرکت می ایستد، چرا که در این حالت تفاوت کشش سطحی مناطق مختلف آب با هم به صفر می رسد.
به نظر شما یک ماده ی سطح فعال مانند مایع ظرفشویی چطور ظرف ها را تمیز می کند؟
منابع مفيد:
آزمايش کشش سطحي آب
کشش سطحي آب
کشش سطحي-ام آي تي
کشش سطحي- ويکي پديا
Sticky Water