Jól kalibrált cseppek a Science számára
A csepegtetőről érkező cseppek egyenletes méretűek, csakúgy, mint a felbomló vízfolyás által képzett cseppek. Miért ?
1. Egy csepp akkor válik el a csepegtetőtől, amikor a csőből kilépő folyadék súlya nagyobb lesz, mint a kapilláris hatás ereje, amely azt megtartja. Ez a kapilláris erő megegyezik a folyadék felületi feszültségének és a cső nyílásának kerülete szorzatának szorzatával.
Bruno Vacaro rajzai
Ha egy csap nincs megfelelően lezárva, az egyesével eső cseppek egyformák. Ugyanez vonatkozik azokra, amelyek akkor jönnek létre, amikor a vízfolyás megszakad. A méret egyöntetűsége lehetővé teszi bizonyos gyógyszerek pontos adagolását cseppentő alkalmazásával. Ez nem egy kalibrált tartály feltöltésén alapul, hanem a folyadékok felületi feszültségével kapcsolatos jelenségeken, vagyis azon hajlandóságukon, hogy minimális felületű alakokat alkossanak.
Meghatározott méretű cseppek létrehozásához van egy egyszerű és nagyon kényelmes eszköz: a cseppentő. Amikor finoman megnyomja az üvegcső tetején lévő körtét, folyadék keletkezik, és izzó formájában van. Ez növekedés közben megnyúlik és deformálódik, amíg nagyjából gömb alakú cseppre nem válik le (lásd 1. ábra).
Mi folyik itt ? A kohéziós erők a folyadék molekulái között hatnak. Ezután energiát kell biztosítani ahhoz, hogy a molekulák a folyadék magjából a felszínre kerüljenek, ahol sokkal kevesebb szomszédjuk van, ezért sokkal kevesebb az összetartó kötésük. Ezt a tulajdonságot számszerűsíti a "felületi feszültség", amelyet gyakran megjegyeznek g (gamma), amely energia a folyadékba juttatandó egy további felületi egység létrehozásához. Ez azt is jelenti, hogy asszimilálhatjuk a folyadék felületét egy vékony rugalmas fóliává, amelynek a lehető legkisebbnek kell lennie.
Amikor kinyomja egy cseppentő izzót, a folyadékot kiszorítja a csőből. Miért nem esik ki azonnal a folyadék? Mivel a cső kerületén kifejtett kapilláris erő megtartja. Ez az erő a felületi feszültségből adódik (amely megegyezik a hosszegységre eső erő méretével) és egyenlő 2pr g-val, ahol r a cső sugara.
Kapilláris erő lógott csepp
A csepp növekedésével a folyadék térfogata nő, a kapilláris erő azonban nem. Amikor a folyadék tömege meghaladja az utóbbit, egy csepp megszakad és leesik - és a térfogata meghatározódik, ahogyan egy csepegtető esetében meg kell. Ha pedig a csepp elég kicsi, akkor a súlya nem elegendő a deformálódáshoz: gömb alakú marad, olyan alak, amelynek minimális felülete van egy adott térfogatnál.
Egy milliméter sugarú csővel a felületi feszültség értékének ismeretében kiszámítják, hogy egy leeső vízcsepp térfogata körülbelül 50 köbmilliméter legyen. A fenti megfontolások azonban helyesbítést igényelnek. Valójában megfigyelhető, hogy a függő csepp fokozatosan megnyúlik és jelentős szűkületet mutat a nyaknak. Leválasztásakor a csőből felszabaduló folyadék egy része rögzítve marad.
A csepp növekedésének minden szakaszában tökéletesen meghatározott alakja van: az, amely kiegyenlíti a nyomást a felületének bármely pontján. Melyek ezek a nyomások? Először is van egy hidrosztatikus nyomás, amely a folyadék súlyának köszönhető, és amely csak annak magasságától függ. A csepp belseje és külseje között is van nyomáskülönbség a felületi feszültség miatt, amely akkor jelenik meg, ha a folyadék felülete nem sík.