Capillarita e fluidi newtoniani spiegato ai bambini

Esperimento sull'azione capillare con cannucce

La tensione superficiale è un effetto per cui la superficie di un liquido è forte. La superficie può sostenere un peso e la superficie di una goccia d'acqua la tiene unita, a forma di palla. Alcuni piccoli oggetti possono galleggiare su una superficie grazie alla tensione superficiale, anche se normalmente non potrebbero galleggiare. Alcuni insetti (ad esempio gli strigiformi) possono correre sulla superficie dell'acqua grazie a questa proprietà. Questa proprietà è dovuta all'attrazione delle molecole del liquido tra loro (coesione) ed è responsabile di molti comportamenti dei liquidi.

La tensione superficiale ha la dimensione di forza per unità di lunghezza o di energia per unità di superficie. Le due dimensioni sono equivalenti, ma quando ci si riferisce all'energia per unità di superficie, si usa il termine energia superficiale, che è un termine più generale nel senso che si applica anche ai solidi e non solo ai liquidi.

Le forze coesive tra le molecole del liquido causano la tensione superficiale. Nella massa del liquido, ogni molecola è tirata in egual misura in ogni direzione dalle molecole vicine, con il risultato di una forza netta pari a zero. Le molecole in superficie non hanno altre molecole su tutti i lati e quindi sono tirate verso l'interno. Questo crea una pressione interna e costringe le superfici del liquido a contrarsi fino a raggiungere l'area minima.

Piano di lezione sull'azione capillare

I bambini soffiano bolle di sapone e giocano tra gli spruzzi di un irrigatore in una calda giornata estiva. (Un ragno subacqueo conserva la sua riserva d'aria in una bolla luccicante che porta avvolta intorno a sé. Un tecnico preleva il sangue in un tubo di piccolo diametro semplicemente toccandolo con una goccia su un dito pungente. Un neonato prematuro fatica a gonfiare i polmoni. Qual è il filo conduttore? Tutte queste attività sono dominate dalle forze attrattive tra atomi e molecole nei liquidi, sia all'interno di un liquido che tra il liquido e l'ambiente circostante.

Le forze attrattive tra molecole dello stesso tipo sono chiamate forze coesive. I liquidi, ad esempio, possono essere tenuti in contenitori aperti perché le forze coesive tengono insieme le molecole. Le forze attrattive tra molecole di tipo diverso sono chiamate forze adesive. Tali forze fanno sì che le gocce di liquido si aggrappino ai vetri delle finestre, per esempio. In questa sezione esaminiamo gli effetti direttamente attribuibili alle forze coesive e adesive nei liquidi.

Le forze coesive tra le molecole fanno sì che la superficie di un liquido si contragga fino a raggiungere la superficie più piccola possibile. Questo effetto generale è chiamato tensione superficiale. Le molecole sulla superficie sono tirate verso l'interno dalle forze coesive, riducendo l'area superficiale. Le molecole all'interno del liquido subiscono una forza netta nulla, poiché hanno vicini su tutti i lati.

Esempi di azione capillare nella vita quotidiana

Ora, cambiamo il liquido dall'acqua a qualcosa di più denso, come un frullato denso (maggiore viscosità e densità). Per innalzare il livello della granita/del frullato nella cannuccia rispetto a quello ottenuto con l'acqua, sarà necessaria una quantità maggiore di aspirazione.

L'approccio classico del flusso di Poisseuille è una soluzione approssimativa per le situazioni che soddisfano i suoi presupposti. L'effetto della gravità può essere ben considerato includendolo nel termine di caduta di pressione. Dovrebbe funzionare bene per l'acqua aspirata attraverso una cannuccia da bibita.

Le forze di tensione superficiale non saranno grandi per l'acqua o il frullato risucchiati attraverso una normale cannuccia da bibita (~5 mm di diametro). La tensione superficiale (e i due numeri non dimensionali che menzionate) diventerebbero utili nei problemi di flusso di fluidi attraverso mezzi porosi in cui il liquido scorre attraverso capillari.

Posso mettere una ciliegia in cima al mio frullato e non affonda nel bicchiere. Questo non perché galleggi (le ciliegie sono più dense del frullato), ma perché le forze nel frullato sotto la ciliegia non superano lo sforzo di taglio critico necessario per causare il flusso. Al di sotto di questa sollecitazione critica di taglio, il frappé si comporta come un solido.

Azione capillare nelle piante

La tensione superficiale è un effetto che si verifica nello strato superficiale di un liquido e che fa sì che tale strato si comporti come un foglio elastico. In altre parole, la tensione superficiale consiste nell'allungamento di un oggetto; l'elasticità. Permette agli insetti, come il water strider (pattinatore dello stagno, Regno Unito), di camminare sull'acqua. Permette a piccoli oggetti metallici come aghi, lamette o frammenti di carta stagnola di galleggiare sulla superficie dell'acqua ed è la causa dell'azione capillare. Ogni volta che una goccia di pioggia cade, un bambino sguazza in una piscina, un detergente viene mescolato all'acqua o una bevanda alcolica viene agitata in un bicchiere, gli effetti della tensione superficiale sono visibili.

Il comportamento fisico e chimico dei liquidi non può essere compreso senza tenere conto della tensione superficiale. Essa regola la forma che piccole masse di liquido possono assumere e il grado di contatto che un liquido può avere con un'altra sostanza.

L'applicazione della fisica newtoniana alle forze che si generano a causa della tensione superficiale predice con precisione molti comportamenti dei liquidi che sono così comuni che la maggior parte delle persone li dà per scontati. Applicando la termodinamica a queste stesse forze si possono prevedere altri comportamenti più sottili dei liquidi.