תופעת הנימיות (capillary action) מתארת את היכולת של נוזלים "לטפס" במעלה צינורות דקים.

טיפוס הנוזל בצינורית הוא השקול של 2 כוחות מנוגדים:
קוהזיה (cohesion)- הכוחות המתקיימים בין אטומים/מולקולות דומים; במקרה שלנו מולקולות או אטומי הנוזל. מים למשל מתאפיינים בקוהזיות גבוהה מכיוון שכל מולקולת מים יכולה ליצור 4 קשרי מימן עם מולקולות שכנות.

אדהזיה (adhesion) הכוחות המתקיימים בין אטומים/מולקולות שונים; במקרה שלנו מדובר על שטח המגע בין מולקולות/אטומי הנוזל לחומר ממנו עשויה הצינורית.

כאשר הנוזל נמצא בשדה של כוח משיכה (למשל על פני כדור הארץ) מצטרף כוח שלישי והנוזל מפסיק "לטפס" כאשר כוחות הקוהזיה והאדהזיה נמצאים בשיווי משקל עם כוח המשיכה המושך את הנוזל כלפי מטה.

כאשר האדהזיה גדולה מהקוהזיה כושר הנימיות של הנוזל גבוהה וההפך.
לכן כדי לדעת מתי תתרחש תופעת הנימיות לא מספיק לדעת מהו הנוזל אלא גם מהו החומר ממנו עשויה הצינורית הדקה, כי יחסי הגומלין ביניהם יחד עם שטח המגע (קוטר הצינורית) הם המשתנים החשובים.
למים בצינורית זכוכית דקה לדוגמא יש כוחות אדהזיה חזקים מאוד בגלל שנוצרים קשרי מימן בין מולקולות המים ואטומי החמצן שבדופן הצינורית (זכוכית = צורן = SiO2). לעומת זאת בכספית כוחות הקוהזיה חזקים יותר ולכן כושר הנימיות שלה קטן בהרבה.  

גובה פני הנוזל בצינורית מחושב בנוסחא הבאה:  

והוא תלוי במתח הפנים (γ), בזווית המגע (θ), בצפיפות הנוזל (ρ), בתאוצת הכובד (g) וברדיוס הצינור (r).

מה בעצם מתרחש?
במידה וכוחות האדהזיה גדולים מכוחות הקוהזיה וכוח המשיכה (אם קיים), מולקולות הנוזל נצמדות לדופן הצינורית.
מה שלמעשה נראה זה שמשטח הנוזל נעשה קעור (הנוזל בשטח המגע בהיקף הצינורית גבוה מהנוזל במרכז הצינורית). כוחות הקוהזיה בין מולקולות הנוזל לבין עצמן "רוצות" להקטין את מתח הפנים (כלומר ליישר את פני הנוזל ולמנוע את שטח הפנים המוגדל במצב הקעור) ולכן הן "מטפסות" למעלה וחוזר חלילה עד שנוצר שיווי משקל בין הקוהזיה לאדהזיה (עם או ללא המרכיב של כוח המשיכה).

זה גם ההסבר מדוע התופעה מתרחשת בצינוריות דקות בלבד (גם ללא נוכחות כוח המשיכה).
בכלים רחבים רק מעט מהנוזל נוגע בדפנות ולכן האפקט האדהזי קטן מאוד ואין כמעט "טיפוס" של הנוזל.

תופעות רבות מסביבנו הן תוצר של תופעת הנימיות, בין השאר:
(1). פתיליית שמן או נר השואבת שמן או שעווה נוזלית (בהתאמה).
(2). המים מטפסים בסיבי הנייר הדקים של מטליות סופגות וכך המטליות ממלאות את יעודן לייבש את המשטח.
(3). צינוריות ניקוז הדמעות המצויות בזווית העין הפנימית (אחת בכל עין) פועלות ומנקזות את נוזל הדמעות בכוח הנימיות.
(4). כרומטוגרפיה- משמשת להפרדת מומסים. מומסים שונים מטפסים על המשטח בקצב שונה וכך נוצרת הפרדה.  

לבסוף נקודה מעניינת: האם ידעתם שהמאמר המדעי הראשון אותו פרסם אלברט איינשטיין היה בנושא הנימיות? המאמר פורסם בשנת 1901 בגרמנית ועסק במסקנות על נושא הנימיות (Folgerungen aus den Capillaritätserscheinungen).  

התמונות והנוסחא נלקחו ועובדו מויקיפדיה.  

מאת: ד"ר מאיר ברק
המחלקה ביולוגיה מבנית
מכון ויצמן למדע

וד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון 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 תמיד מתקבלות בברכה.

16 תגובות

  • יובל

    האנרגיה הנצרכת על ידי התהליך הנימי

    אודה לך אם תוכל להשיב לי על מקור האנרגיה הגורם לתהליך הקפילרי.
    אני מבין שמאזן הכוחות האדהזי והקוהזי ושיווי המשקל מאפשר את העליה הנימית של המים בצינור.
    אבל איך משלים התהליך הקוהזי ואדהזי את האנרגיה שנגזלה ממנו, בהנחה שהמים עלו לקצה הצינור ואז הצינור הורם מעל פני המים, המים בצינור ירדו אל הכוס כיצד בתיאור הזה נדרכת המערכת מחדש באנרגיה
    כדי לאפשר פעם נוספת את התליך?
    האם מדובר בתהליך אנדותרמי?
    אם לא, מהו מקור האנרגיה? שאלה נוספת-
    האם המים הם הנוזל בעל התכונות המיטביות והאם זכוכית היא התווך המיטבי?
    אני מבין שאטומי המימן במים נמשכים לאטומי החמצן בצורן.
    האם ישנם חומרים ונוזלים חדשים / אחרים אשר ביצועיהם הנימיים טובים יותר?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אנרגייה בנימיות

    בקצרה – סוג האנרגיה לתהליך ה'טיפוס' - הוא בכלל חשמלי. כוחות חשמלייים הם השולטים בעולם הכימיה. כוחות משיכה חשמליים בין מולקולות המים הם המצמידים אותם לצינור זכוכית.
    כלומר אם תרצה, זה דומה לפיסת נייר שנדבקת אל בלון טעון בחשמל סטטי.
    לגבי המיטב במים וזכוכית – לא.
    צינורות עשויים מתאית (כמו שורשים של צמחים) טובים בהרבה. אפשר להיווכח בכוחות המשיכה החזקים בין תאית למים, כאשר מרטיבים נייר מגבת במים – כל המים 'נספגים', כלומר נדבקים ברמה המולקולרית אל הנייר. אינני יודע אם זה הכי טוב, אבל בהחלט טוב יותר ממשיכה של מים לזכוכית.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • שקד

    האם הטמפרטורה משפיע על כוח

    האם הטמפרטורה משפיע על כוח הנימיות?
    ואם כן אז למה..
    תודה מראש:)

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    משפיעה

    ככל שמחממים חומר, המולקולות שלו נעות מהר יותר - כלומר יש להם יותר אנרגיה קינטית, כתוצאה מכך בסה"כ הן קשורות פחות זה לזה. (תחשבי על מצב קיצון של אידוי - שם הקשרים בין המולקולות מתנתקים לחלוטין). כלומר חימום ישנה את האדזיה והקוהזיה שהם הסיבה לנימיות.
    (בגלל ששני הכוחות ישתנו קשה לקבוע מראה לאיזה כיוון תשפיע הטמפרטורה בכל זוג של חומרים, נוזל ומוצק ממנו עשוי ה'צינור).

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • ספיר

  • פיליפ גורבלי

    זה לא ברור

    זה לא ברור

  • סטודנט

    עיבוי בוז אינשטיין

    אם תקרר הליום4 מתחת לטמפ' מסוימת הוא יעבור עיבוי בוז אינשטיין למה שקרוי נוזל-על, שהינו חסר צמיגות. אם תשים אותו בכלי הוא יטפס על הדפנות וינזול החוצה.

  • יניב

    האם יתכן מצב תיאורטי

    או אפילו מעשי, שבו כוחות האדהזיה יהיו חזקים מספקים כדי לנתק מולקולת נוזל (או אפילו כמה מהן) מסביבתה, כך שהיא תטפס במעלה הצינור ויתר הנוזל ישאר במפלס המקורי?

  • אבי סאייג.

    טיפוס המים במעלה הצינור לא רק בגלל האדהזיה!

    כפי שכתוב בתשובה, המים מטפסים בצינור לא רק בגלל האדהזיה, אלא בגלל השילוב של האדהזיה (שגורמים למים להידבק לדפנות וליצור צורה קעורה) והקוהזיה (ששואפים ליצור פני מים ישרים) במעגל שחוזר על עצמו עם הטיפוס של המים. ניתוק מולקולה / מולקולות בודדות מסביבתם יבטל את הקוהזיה (הכוחות בין מולקולות המים לבין עצמם), ויבטל את הטיפוס של המים במעלה הצינור. (ובכלל, אין בצינור מקום מועדף מבחינה אנרגטית, ולכן אפילו אם נכניס מולקולה בודדת של מים לחלק התחתון של הצינור אין שום סיבה שתטפס מעלה- בכל מקום בצינור כוחות האדהזיה זהים, אחרת אפשר היה לבנות פרפטואום-מובילה, מנוע 'תנועה נצחית' שפועל ללא השקעת אנרגיה – היינו שמים מולקולות מים בתחתית הצינור והם זורמות מעלה. ודבר כזה בלתי אפשרי, לצערנו, בגלל חוק שימור האנרגיה).

    דרך אגב – בכל מקרה בו מתרחשת נימיות וכוחות האדהזיה חזקים מהקוהזיה – אפשר לנתק בקלות מולקולות מים מאחרות: כאשר מכניסים צינורית מים דקיקה למים הם מטפסים בתוכה, הוצאת הצינורית מהמים מנתקת את המולקולות שבתוך הצינור מאלה שבמאגר המים (והמים נשארים בצינור, זאת שיטה ידועה בכימיה ללקיחת דגימות קטנות של תמיסה). דוגמא נוספת (וטריוויאלית): כאשר סופגים שפך של מים (למשל כוס קפה שנשפכה על השולחן) באמצעות נייר סופג, למעשה המים נדבקים חזק לנייר הסופג (בגלל האדהזיה) וכאשר מסלקים את הנייר אנו מנתקים את המים מהמאגר המרכזי.

    אבי

  • אחד

    מאיפה האנרגיה לתופעה?

    אני מתכוון, כשצמח משתמש בנימיות להעלאת מים מהיכן נלקחת האנרגיה ואיפא נוצר ההפסד?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובה

    בצמחים - המקור האנרגטי לתופעה הוא שיש רווח אנרגטי בכך שהמים מרטיבים את הצינורות שעשויים מתאית בתוך הצמח (כוחות האדהזיה בין מים לתאית גדולים מכוחות הקוהזיה בין מים למים) ומכאן שמקור האנרגיה הוא השמש: בזכות זה שהשמש כל הזמן מאירה על הצמחים ומאדה מים, מים חדשים יכולים להיכנס לצינורות במקום המים שהתאדו. רק ברגע שמים התאדו מקצה הצינור העליון תתרחש שוב שאיבה נימית.
    גם לצורך ייצור הצינור עצמו - מקור האנרגיה הוא בשמש, צינורות ההולכה בצמחים עשויים מתאית (צלולוז) שמורכבת מהרבה מולקולות סוכר גלוקוז שמחוברות אחת לשנייה, הגלוקוז - נוצר באמצעות תהליך הפוטוסינתיזה שמקור האנרגיה שלו הוא אור השמש.

    בצינורות לא צמחיים - למשל צינור זכוכית: מקור האנרגיה הוא מקור האנרגיה שייבש את הצינור. כלומר אם יש לנו צינור מלא מים ואז אנחנו מרוקנים אותו ומייבשים אותו מהמים (למשל באמצעות פן) - אז אנחנו בעצם 'טוענים' אותו באנרגיה שתשמש לתהליך הנימיות הבא.

    אבי

  • יניב

  • גיא

  • אבי סאייג.

    למעשה אותה תופעה המוסברת למעלה רק הפוך

    במקרה הזה כוח המשיכה מושך את המים מחוץ לקשית וכוחות הקוהזיה והאדהזייה פועלים על המים בתוך הקשית.
    גם כאן קוטר הצינורית מאוד חשוב- קוטר רחב מידי והמים ישפכו החוצה גם אם תאטום קצה אחד באצבע.

  • אלון

  • אבי סאייג.

    מאוד רצוי שלא תהיה השפעה לנימיות במדחום

    אם הנימיות תהיה משתנה משפיע במדחום אז לא נוכל לדעת האם הכספית עלתה בגלל שינוי בטמפרטורה או בגלל כוח הנימיות.

    מד הטמפרטורה המוכר לנו קיום מורכב מצינורית ובה כספית נוזלית . קצה הצינורית מורחב והוא בא במגע עם הסביבה ומושפע מהטמפרטורה; המשך הצינורית מצוי בתוך צינורית זכוכית שנייה כשביניהם וואקום המבודד את הצינורית הפנימית. כאשר הכספית מתחממת היא מתפשטת ועולה בצינורית שם היא נקראת על גבי סולם טמפרטורות המוטבע על גבי הצינורית.

    הוספתי 2 קישורים: הסבר על המדחום ועל תופעת הנימיות
    בקישור על הנימיות תוכל לראות תמונה המייצגת מה קורה לכספית בצינורית דקה: בכספית כוחות הקוהזיה חזקים יותר מאשר במים ולכן כושר הנימיות שלה קטן בהרבה.
    קישורים:
    הסבר על מד טמפרטורה
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1446&incat=1412&a...

    הסבר על נימיות
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?page_name=net_activit...