Picături bine calibrate pentru Știință
Picăturile care se desprind de un picurător sunt de dimensiuni uniforme, la fel ca cele formate dintr-un curent de apă care se rupe. De ce ?
1. O picătură se separă de un picurător atunci când greutatea lichidului care iese din tub devine mai mare decât forța de acțiune capilară care o ține. Această forță capilară este egală cu produsul tensiunii superficiale a lichidului de ori circumferința orificiului tubului.
Desene de Bruno Vacaro
Când un robinet nu este închis corect, picăturile care cad una câte una sunt la fel. Este același lucru pentru cele care sunt create atunci când un curent de apă se sparge. Această uniformitate a mărimii este de așa natură încât permite dozarea precisă a anumitor medicamente, administrate cu ajutorul unui picurător. Nu se bazează pe umplerea unui recipient calibrat, ci pe fenomene legate de tensiunea superficială a lichidelor, adică cu tendința lor de a lua forme cu o suprafață minimă.
Pentru a crea picături de o anumită dimensiune, există un instrument simplu și foarte convenabil: picuratorul. Când apăsați ușor pera de deasupra tubului de sticlă, lichidul iese și ia forma unui bec. Aceasta se alungește și se deformează pe măsură ce crește, până se detașează într-o picătură aproximativ sferică (vezi figura 1).
Ce se întâmplă ? Forțele de coeziune acționează între moleculele lichidului. Apoi trebuie furnizată energie pentru a aduce molecule de la miezul lichidului la suprafață, unde au mult mai puțini vecini și, prin urmare, mult mai puține legături de coeziune. Această proprietate este cuantificată de „tensiunea superficială”, notată adesea g (gamma), care este energia care trebuie furnizată fluidului pentru a crea o unitate suplimentară de suprafață. De asemenea, înseamnă că putem asimila suprafața lichidului cu o peliculă elastică subțire, care trebuie să fie cât mai mică posibil.
Când strângeți becul unui picurător, împingeți lichidul din tub. De ce lichidul nu cade imediat? Deoarece este reținut de forța capilară exercitată la circumferința tubului. Această forță rezultă din tensiunea superficială (care este aceeași dimensiune ca o forță pe unitate de lungime) și este egală cu 2pr g, unde r este raza tubului.
Forța capilară asupra picăturii agățate
Pe măsură ce picătura crește, volumul de lichid crește, dar forța capilară nu crește. Când greutatea lichidului o depășește pe cea din urmă, o picătură se rupe și cade - și volumul său este determinat, așa cum ar trebui pentru un picurător. Și dacă picătura este suficient de mică, greutatea sa nu este suficientă pentru a o deforma: rămâne sferică, o formă care are o suprafață minimă pentru un volum dat.
Cu un tub cu raza de un milimetru, se calculează, cunoscând valoarea tensiunii superficiale, că volumul unei picături de apă care se încadrează ar trebui să fie de aproximativ 50 milimetri cubi. Cu toate acestea, considerațiile de mai sus necesită corectare. De fapt, se observă că picătura atârnată se întinde treptat și prezintă un gât cu o îngustare semnificativă. În momentul detașării, o parte din lichidul eliberat din tub rămâne apoi atașat.
În toate etapele creșterii sale, picătura are o formă perfect determinată: cea care echilibrează presiunile în orice punct de pe suprafața sa. Care sunt aceste presiuni? În primul rând, există presiunea hidrostatică, datorată greutății lichidului și care depinde doar de înălțimea acestuia. Există, de asemenea, o diferență de presiune între interiorul și exteriorul picăturii, datorită tensiunii superficiale și care apare atunci când suprafața lichidului nu este plană.