القوى داخل السوائل

1-2 القوى داخل السوائل

بيانات الدرس

| العنصر | البيانات |
| ----------------- | --------------------------------------- |
| رقم الدرس | 1-2 |
| عنوان الدرس | القوى داخل السوائل |
| العنوان الإنجليزي | Forces within Liquids |
| الصفحات | 22 إلى 25 |
| رابط الدرس الرقمي | [www.ien.edu.sa](http://www.ien.edu.sa) |

الأهداف

• توضح كيف تسبب قوى التماسك التوتر السطحي.
• توضح كيف تسبب قوى التلاصق الخاصية الشعرية.
• تناقش التبريد التبخري ودور التكثف في تكون السحب.

المفردات

| المفردة | المعنى العام داخل الدرس |
| ----------- | ---------------------------------- |
| قوى التماسك | قوى تجاذب بين جزيئات المادة نفسها. |
| قوى التلاصق | قوى تجاذب بين جزيئات مواد مختلفة. |

مقدمة الدرس

تعاملنا مع السوائل، حتى الآن، باعتبارها سوائل مثالية تمتاز جميع جزيئاتها بحرية الحركة، والانزلاق بعضها فوق بعض. ولكن خصوصية الماء في تمدده بين درجتي حرارة 0 °C و 4 °C تبين أنه في حالة السوائل الحقيقية تؤثر الجزيئات بعضها في بعض بقوى تجاذب كهرومغناطيسية تسمى قوى التماسك، تؤثر هذه القوى وغيرها في سلوك الموائع.

قوى التماسك Cohesive Forces

هل سبق أن لاحظت أن قطرات الندى على خيوط العنكبوت، وكذلك قطرات الزيت الساقطة، تتخذ شكلًا كرويًا تقريبًا؟ ماذا يحدث عندما يسقط المطر على سيارة مغسولة حديثًا ومشمعة؟ تتكوّر قطرات الماء وتتخذ أشكالًا كروية، كما في شبكة العنكبوت في الشكل 1-7.

الشكل 1-7

تصطف قطرات صغيرة من مياه الأمطار على شبكة العنكبوت؛ لأن قطرات الماء لها خاصية التوتر السطحي.

تعد جميع الظواهر السابقة أمثلة على التوتر السطحي، وهي الخاصية المتمثلة في ميل سطح السائل إلى التقلص لأقل مساحة ممكنة. وخاصية التوتر السطحي ناجمة عن قوى التماسك بين جزيئات المائع.

لاحظ أن جميع جزيئات السائل الموجودة تحت سطحه تتأثر بقوى جذب متساوية المقدار تشدها إلى جميع الاتجاهات عن طريق الجزيئات المجاورة لها، كما تنجذب أيضًا إلى الجزيئات المكونة لجدار الإناء الذي يحتوي السائل كما في الشكل 1-8a، ونتيجة لذلك ليس هناك قوة محصلة تؤثر في أي من الجزيئات تحت سطح السائل.

أما عند السطح فتنجذب الجزيئات إلى أسفل وفي اتجاه الجوانب، ولكن ليس إلى أعلى؛ لذا يكون هناك قوة محصلة إلى أسفل تؤثر في الطبقات العلوية، مما يؤدي إلى ضغط الطبقة العلوية قليلًا.

وتعمل الطبقة السطحية في السائل كغشاء مطاطي مشدود، قوي بما يكفي لحمل الأجسام الخفيفة جدًا، ومنها صرصور الماء كما في الشكل 1-8b. ويكون التوتر السطحي للماء كبيرًا بحيث يحمل مشبك ورق فولاذيًا على الرغم من أن كثافة الفولاذ أكبر تسع مرات من كثافة الماء. جرب ذلك.

لماذا يكون التوتر السطحي قطرات كروية؟ تدفع القوة الجزيئات السطحية بحيث يصبح السطح صغيرًا قدر الإمكان، كما أن الشكل الكروي هو الشكل الذي له أقل مساحة سطح لحجم معين. وكلما زاد التوتر السطحي للسائل زادت ممانعة السائل لتحطم سطحه، فلسائل الزئبق مثلًا قوة تماسك أكبر من قوة تماسك الماء، ولهذا يشكل الزئبق السائل قطرات كروية حتى عندما يوضع على سطح مصقول. وفي المقابل، بعض السوائل، ومنها الكحول والإيثر، لها قوى تماسك ضعيفة، ولذلك تتسطح قطراتها على السطح المصقول.

اللزوجة

تسبب قوى التماسك والتصادمات بين جزيئات المائع في الموائع غير المثالية احتكاكًا داخليًا يعمل على إبطاء تدفق السائل، وتبديد الطاقة الميكانيكية. وتعد لزوجة السائل مقياسًا للاحتكاك الداخلي للسائل.

ولزوجة الماء منخفضة، في حين أن زيت المحرك عالي اللزوجة؛ إذ يتدفق ببطء على الأجزاء المعدنية للمحرك، فيقلل من احتكاكها بعضها ببعض.

وتعد اللابة والصخور المنصهرة التي تتدفق من البركان وتتصاعد نحو سطح الأرض واحدة من أشد الموائع لزوجة، ولأنواع اللابة المتعددة لزوجات تتباين وفق تركيبها ودرجة حرارتها.

الشكل 1-8

تنجذب الجزيئات في داخل السائل إلى كل الاتجاهات (a).
يتمكن صرصور الماء من السير على سطح الماء؛ لأن جزيئات الماء عند السطح لها قوة تجاذب محصلة في اتجاه الداخل تولد التوتر السطحي (b).

قوى التلاصق Adhesive Forces

قوى التلاصق تشبه قوى التماسك؛ فهي عبارة عن قوى تجاذب كهرومغناطيسية تؤثر بين جزيئات المواد المختلفة.

فإذا وضع أنبوب زجاجي نصف قطره الداخلي صغير في الماء فسيرتفع الماء داخل الأنبوب؛ لأن قوى التلاصق بين سطح الزجاج وجزيئات الماء أكبر من قوى التماسك بين جزيئات الماء.

وتعرف هذه الخاصية بالخاصية الشعرية، ويستمر الماء في الارتفاع حتى يتوازن وزن الماء الذي ارتفع مع قوة التلاصق الكلية بين سطح الزجاج وجزيئات الماء.

وإذا ازداد نصف قطر الأنبوب فإن كلًا من حجم الماء ووزنه سيتزايد طرديًا وبمقدار أسرع من المساحة السطحية للأنبوب. وعليه، فسيرتفع الماء في الأنبوب الضيق أكثر من ارتفاعه في الأنبوب الأكثر اتساعًا.

إن الخاصية الشعرية هي التي تسبب ارتفاع الوقود في فتيلة القنديل، كما تسبب أيضًا ارتفاع الماء من أسفل التربة إلى أعلاها وارتفاعه أيضًا في جذور النبات.

عندما يوضع أنبوب في وعاء من الماء يرتفع سطح الماء على السطح الخارجي للأنبوب كما في الشكل 1-9a؛ لأن قوى التلاصق بين جزيئات الزجاج وجزيئات الماء أكبر من قوى التماسك بين جزيئات الماء.

وفي المقابل، فإن قوى التماسك بين جزيئات الزئبق أكبر من قوى التلاصق بين الزئبق وسطح الزجاج؛ لذا لا يرتفع الزئبق في الأنبوب، وتسبب هذه القوى أيضًا انخفاضًا في سطح الزئبق حول الأنبوب الزجاجي كما في الشكل 1-9b.

الشكل 1-9

يصعد الماء على جدار الأنبوب الزجاجي من الخارج (a)، في حين ينخفض سطح الزئبق حول الأنبوب (b)؛ إن قوى التجاذب بين ذرات الزئبق أقوى من قوى التلاصق بين الزئبق والزجاج (c).

تطبيق الفيزياء: النباتات

تسمح قوى التماسك في السوائل بتمددها كما لو كانت شريطًا مطاطيًا مرنًا. ومن الصعب تحقيق حالة التمدد هذه في المختبر، لكنها شائعة في النباتات.

وتحفظ شدة قوى التماسك الماء من أن ينقطع اتصاله بعضه ببعض، أو يشكل فقاقيع، عندما ينتقل إلى الأوراق عبر أنسجة النبات. ولولا هذه القوى ما تمكنت الأشجار من النمو أكثر من 10 أمتار.

التبخر والتكثف Evaporation and Condensation

لماذا يختفي الماء من بركة صغيرة في يوم حار وجاف؟ تتحرك جزيئات السائل بسرعات عشوائية، كما تعلمت سابقًا. وإذا استطاعت الجزيئات المتحركة بسرعة كبيرة أن تنفذ خلال الطبقة السطحية، فإنها ستنفذ من السائل، لكن وجود قوة تماسك محصلة إلى أسفل على السطح يعيق ذلك؛ لذا لا تفلت من السطح إلا الجزيئات التي لها طاقة كبيرة، ويسمى هروب الجزيئات التبخر.

التبريد بالتبخر

لعملية التبخر أثر في خفض الحرارة، أي التبريد؛ ففي الأيام الحارة يفرز الجسم عرقًا، وتبخر العرق يجعلك تشعر بالبرودة. ويؤدي التبخر في بركة الماء الصغيرة إلى تبريد الماء المتبقي.

وكلما كانت الطاقة الحركية لجزيء ما أكبر من متوسط الطاقة الحركية لمجموع الجزيئات كانت فرصته في التحرر من الماء أكبر. وعند تحرره ينخفض متوسط الطاقة الحركية للجزيئات المتبقية.

وكما تعلمت سابقًا، فإن الانخفاض في متوسط الطاقة الحركية يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة. وتستطيع أن تختبر أثر التبريد عند سكب كمية قليلة من الكحول وفركها براحة يديك؛ إذ تتبخر جزيئات الكحول بسهولة؛ لأن قوى التماسك بينها قليلة جدًا. وعندما تتبخر الجزيئات يمكن ملاحظة أثر التبريد، وتسمى السوائل التي تتبخر بسرعة السوائل المتطايرة.

لماذا تشعر أن الجو في الأيام الرطبة أكثر دفئًا منه في الأيام الجافة عند درجة الحرارة نفسها؟ في اليوم الرطب تكون كمية بخار الماء في الهواء مرتفعة، بسبب وجود الكثير من جزيئات الماء في الهواء، ويقل تبعًا لذلك احتمال تبخر جزيئات الماء في العرق.

ويعد التعرق ميكانيكية التبريد الرئيسة في جسم الإنسان؛ لذا فإن الجسم لا يكون قادرًا على تبريد نفسه بصورة فعالة في اليوم الرطب.

التكثف

إن جزيئات السائل التي تبخرت في الهواء تستطيع العودة أيضًا إلى الحالة السائلة إذا انخفضت طاقتها الحركية أو درجة حرارتها، وتسمى هذه العملية التكثف.

ماذا يحدث عندما تحمل كأسًا باردة في منطقة حارة ورطبة؟ سيغطى السطح الخارجي للكأس بالماء المتكثف، وستتحرك جزيئات الماء عشوائيًا في الهواء المحيط بالكأس وترتطم بالسطح البارد، وإذا فقدت طاقة كافية فإن قوى التماسك تصبح قوية إلى درجة تمنعها من الإفلات.

يحتوي الهواء الواقع فوق أي مسطح مائي، كما موضح في الشكل 1-10، على بخار ماء؛ فهو إذن ماء في الحالة الغازية. وإذا انخفضت درجة الحرارة يتكاثف بخار الماء حول جزيئات الغبار المتناهية في الصغر الموجودة في الهواء، ويكون قطيرات من الماء قطرها 0.01 mm.

وتسمى السحابة المتكونة من هذه القطيرات الضباب. ويتكون الضباب غالبًا عندما يبرد الهواء الرطب عن طريق سطح الأرض البارد. ويمكن أن يتكون الضباب داخل المنزل؛ فعندما تفتح زجاجة مياه غازية يحدث انخفاض مفاجئ في الضغط يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة الغاز في الزجاجة، مما يكثف بخار الماء المذاب في ذلك الغاز.

الشكل 1-10

يرتفع الهواء الدافئ والرطب القريب من سطح الأرض حتى يصل إلى ارتفاع تكون درجة الحرارة عنده مساوية لدرجة تكثف بخار الماء، فتتشكل الغيوم عند هذا الارتفاع.

1-2 مراجعة

17. التبخر والتبريد

في الماضي، عندما يصاب طفل بالحمى كان الطبيب يقترح أن يمسح الطفل بقطعة إسفنج مبللة بالكحول. كيف يمكن أن يساعد هذا الإجراء؟

18. التوتر السطحي

لمشبك الورق كثافة أكبر من كثافة الماء، ومع ذلك يمكن أن يطفو على سطح الماء. فما الخطوات التي يجب أن تتبعها لتحقيق ذلك؟ وضح إجابتك.

19. اللغة والفيزياء

نستخدم في لغتنا العربية مصطلحات، منها "الشريط اللاصق" و"العمل كمجموعة متماسكة"، فهل استخدام المفردتين: التلاصق والتماسك في سياق كلامنا مطابق لمعانيهما في الفيزياء؟

20. التلاصق والتماسك

وضح لماذا يلتصق الكحول بسطح الأنبوب الزجاجي في حين لا يلتصق الزئبق.

21. الطفو

كيف يمكن لمشبك الورق في المسألة 17 ألا يطفو؟

22. التفكير الناقد

تجلس فاطمة في يوم حار ورطب في باحة منزلها، وتحمل كأسًا من الماء البارد، وكان السطح الخارجي للكأس مغطى بطبقة من الماء، فاعتقدت أختها أن الماء يتسرب من خلال الزجاج من الداخل إلى الخارج. اقترح تجربة يمكن لفاطمة أن تجريها لتوضح لأختها من أين يأتي الماء.