פני השטח של כל נוזל (כמו מים, שמן, כספית) מתנהגים בצורה שונה מאשר החלק שבתוך הנוזל – על פני השטח של נוזלים יש מעין 'קרום' חזק ובלתי נראה, שיכול להחזיק על פניו אפילו חפצים הצפופים מהנוזל עצמו. למשל כמו שרואים בתמונה הבאה חרק בשם "רץ מים" עומד על פני קרום המים, ומצליח ללכת עליהם בלי לשקוע:
תמונה מויקיפדיה, צילום PD
לא רק חרקים קלים, גם מתכת כבדה יכולה לצוף על פני הקרום שיוצר מתח הפנים על פני מים, אם מניחים על פני המים בזהירות אטב ממתכת הוא צף על פני המים.
ובאמת – מה הסיבה לאותו קרום / מתח הפנים של נוזלים?
ובכן, בכל הנוזלים קיימים כוחות משיכה בין החלקיקים הקטנים (אטומים, מולקולות וכו') שבונים אותם. זאת הסיבה שהם נמצאים במצב צבירה נוזל – ולא גז (בגז כוחות המשיכה בין החלקיקים חלשים באופן יחסי, ולכן החלקיקים שבו רחוקים מאוד זה מזה).
אם נסתכל על מולקולה של נוזל שנמצאת במרכזו – ומוקפת מכל הכיוונים במולקולות אחרות של נוזל, אפשר לומר שהיא נמשכת מכל הכיוונים על ידי מולקולות אחרות, כך שבממוצע 'שקול הכוחות' (או הכוח השקול / הכולל) עליה הוא אפס, כי הכוחות מכל הכיוונים מאזנים זה את זה (ראו שלב 1 באנימציה בהמשך התשובה). המצב שונה לגבי מולקולה שנמצאת בפני השטח של נוזל (בכוס או בטיפה של מים) – שם הכוחות לא מאזנים זה את זה – משום שהמולקולה לא מוקפת במולקולות אחרות באופן סימטרי, ובסך הכך יש כוח שקול שמושך את המולקולות בפני השטח לעבר פנים הנוזל (שלב 2 באנימציה).
כוח משיכה זה גורם לכך שהנוזל נדחס (מעט) ומתחיל להפעיל כוח הפוך – המתנגד לדחיסה: לאטומים ומולקולות יש נפח, וכאשר דוחסים אותם ומקרבים אותם זה לזה הם מתחילים להפעיל כוח דחיה זה על זה, בעיקר בגלל שבחלק החיצוני של כל אטום ומולקולה נמצאים אלקטרונים בעלי מטען חשמלי, ומטען חשמלי זהה מפעיל כוח דחייה, אפשר לדמות את זה לדחיסה של קפיצים – שגורמת להפעלת לחץ נגדי) - שלב 3 באנימציה.
הדחיסה נמשכת עד שכוח הדחייה וכוח הדחיסה מתאזנים (שלב 4 באנימציה). התוצאה של כל הנ"ל היא למעשה מתח הפנים – או הקרום על פני הנוזל (שלב 5 באנימציה). כפי שכתוב באנימציה, הכוחות המיוחדים (והחזקים) שפועלים על מולקולות בפני שטח הנוזל גורמים להם להיות הרבה פחות ניידות בהשוואה למולקולות שבתוך הנוזל. בנוסף – בגלל שכל מולקולה נמצאת בשיווי משקל בין כוח מושך לכוח דוחף המתנגד לדחיסה – כל ניסיון להניח עליה משהו ולדחוף אותה פנימה יוציא אותה משיווי המשקל הזה ויגרום להפעלת כוח דחיפה חזק מאוד וזה מה שגורם למולקולות בפני השטח להתנהג כמין קרום – עליו אפשר להניח חפצים.
ברגע שחודרים את ה'קרום' (את המולקולות בפני שטח הנוזל) מגיעים למולקולות בחלק הפנימי – עליהן לא פועלים כוחות כנ"ל והן חופשיות לנוע – ודבר לא יכול להחזיק / להפעיל כוח על חפצים כבדים, והם שוקעים לקרקעית (שלב 6 באנימציה).
אפשר להסתכל על מתח הפנים גם מנקודת מבט אנרגטית: מולקולה במרכז נוזל נמצאת במצב יציב, כי מוקפת מכל עבריה במולקולות אחרות, ואילו מולקולה בפני השטח נמצאת במצב אנרגטי גבוה יותר – כדי שמולקולה תגיע לפני השטח יש להשקיע אנרגיה בשבירה של קשרים בין-מולקולריים בסך הכל (כי למולקולה בפני השטח יש פחות קשרים ממולקולה במרכז הנוזל).
כל הנ"ל (כוחות הדחיסה פנימה והלחץ הפנימי שנוצר בעיקבותיהם או המקסימום האנרגטי של מולקולות בפני השטח) – גורמים לכך שנוזלים 'יעדיפו' (מבחינת יציבות) לצמצם ככל הניתן את פני השטח של עצמם, לכן פני שטח של נוזל הם מאוד חלקים, ונוזלים מעדיפים להסתדר בצורה של טיפות / כדורים, כי כדור היא הצורה בעלת שטח הפנים הקטן ביותר ביחס לנפח – עם כוח דחיסה הסימטרי ביותר מכל הכיוונים. הנטייה לצמצמם את שטח הפנים גורמת למולקולות בשטח פני הנוזל להידחס זו אל זו למקסימום האפשרי (כאילו הן דבוקות זו לזו, מה שמגדיל את כוחו של מתח הפנים). בנוסף לכך, מכיוון שככל שנפח של טיפה גדול יותר – היחס בין הנפח לשטח הפנים גדול יותר (יש יותר נפח ביחס לשטח הפנים בטיפות גדולות) – אז טיפות מים נוטות להתאחד, כלומר אם שתי טיפות מים קטנות נפגשות הן מתאחדות לטיפה אחת גדולה שבה שטח הפנים (ולכן גם מתח הפנים) נמוך יותר מבשתי טיפות קטנות נפרדות (טיפה גדולה יציבה יותר אנרגטית משתיים קטנות – פחות מולקולות לא יציבות בפני השטח).
במים – כוחות המשיכה בין המולקולות חזקים במיוחד, ולכן גם מתח הפנים במים הוא חזק באופן יחסי לנוזלים אחרים.
מתח פנים מודדים ביחידות של כוח ליחידת אורך (כמו ניוטון למטר). ישנן הרבה שיטות למדידת מתח פנים של נוזלים, אחת הנפוצת היא שיטת לוחית ווילהלמי (Wilhelmy plate) בה לוחית מתכת דקה משוקעת בנוזל – ונמשכת חזרה – עד יצירת צורת L בין הלוחית לבין המים כפי שמוראה בתמונה הבאה:
מתקן לוחית וילהלמלי למדידת מתח הפנים מקור: ויקיפדיה, יוצרת: Irene Ringworm
על ידי מדידת הכוח שמופעל על הלוחית (שמופעל למעשה על ידי הנוזל שמתנגד להגדלת שטח פניו), גובה ורוחב פני הנוזל שמרטיבים את הלוחית והזווית שנוצרת בינו לבין הלוחית, הראה וילהמלי שאפשר לחשב את מתח הפנים (הכוח ליחידת אורך שמפעיל הנוזל על פניו) לפי נוסחה שפיתח (נוסחת וילהמלי).
ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
