Добре калибрирани капки за наука
Капките, които се отделят от капкомера, са с еднакъв размер, точно като тези, образувани от струя вода, която се разпада. Защо ?
1. Капка се отделя от капкомера, когато теглото на течността, излизаща от тръбата, стане по-голямо от силата на капилярното действие, което я задържа. Тази капилярна сила е равна на произведението на повърхностното напрежение на течността, умножено по обиколката на отвора на тръбата.
Рисунки от Бруно Вакаро
Когато кранът не е затворен правилно, капките, които падат една по една, са еднакви. Същото е и за тези, които се създават, когато поток от вода се прекъсне. Тази еднородност на размера е такава, че позволява прецизно дозиране на определени лекарства, прилагани с помощта на капкомер. Той не се основава на пълненето на калибриран контейнер, а на явления, свързани с повърхностното напрежение на течностите, тоест на склонността им да приемат форми с минимална повърхностна площ.
За да създадете капки с определен размер, има прост и много удобен инструмент: капкомерът. Когато натиснете внимателно крушата на върха на стъклената тръба, течността излиза и приема формата на крушка. Това се удължава и деформира, докато расте, докато се отдели в грубо сферична капка (виж фигура 1).
Какво става ? Силите на сближаване действат между молекулите на течността. След това трябва да се достави енергия, за да се изведат молекулите от сърцевината на течността на повърхността, където те имат много по-малко съседи и следователно много по-малко кохезионни връзки. Това свойство се определя количествено от "повърхностното напрежение", често отбелязвано g (гама), което е енергията, която трябва да се подава към флуида, за да се създаде допълнителна единица повърхност. Това също означава, че можем да асимилираме повърхността на течността до тънък еластичен филм, който трябва да бъде възможно най-малък.
Когато изстискате крушката на капкомера, изтласквате течност от тръбата. Защо течността не изпада веднага? Тъй като се задържа от капилярната сила, упражнена по обиколката на тръбата. Тази сила е резултат от повърхностното напрежение (което е същото измерение като сила на единица дължина) и е равна на 2pr g, където r е радиусът на тръбата.
Капилярна сила при висяща капка
С нарастването на капката обемът на течността се увеличава, но капилярната сила не. Когато теглото на течността надвиши последното, една капка се отчупва и пада - и нейният обем се определя, както би трябвало за капкомера. И ако капката е достатъчно малка, теглото й не е достатъчно, за да я деформира: тя остава сферична, форма, която има минимална повърхност за даден обем.
При тръба с радиус от един милиметър се изчислява, като се знае стойността на повърхностното напрежение, че обемът на падаща капка вода трябва да бъде около 50 кубични милиметра. Горните съображения обаче изискват корекция. Всъщност се забелязва, че висящата капка постепенно се разтяга и представя шията със значително стесняване. По време на отделянето му част от течността, освободена от тръбата, остава прикрепена.
На всички етапи от растежа си капката има идеално определена форма: тази, която балансира налягането във всяка точка на повърхността си. Какъв е този натиск? Първо, има хидростатичното налягане поради теглото на течността и което зависи само от нейната височина. Също така има разлика в налягането между вътрешната и външната страна на капката поради повърхностното напрежение и която се появява, когато повърхността на течността не е плоска.