Fizik-Kimya-Matematik
Prof. Dr. Hüseyin Sarı
22/06/2022 - 18:30

Yüzey Gerilimi Nedir? Nasıl Ortaya Çıkar?

Yağmurdan sonra yaprakların üzerinde biriken su damlacıklarının neden dağılmayıp küresele yakın bir şekil aldığını hiç merak ettiniz mi? 

Günlük hayatımızda farkında olmasak da yüzey geriliminin çeşitli etkileriyle karşılaşırız. Örneğin musluktan sızan suyun küresel şekil alarak damlaması, bir bardağı hafiften taşıracak ölçüde su ile doldurduğumuzda suyun taşmayıp bardağın üst kısmında bombe oluşturması veya bazı canlıların suyun üzerinde batmadan yürüyebilmesi, yüzey geriliminin bir sonucudur.

Yüzey gerilimi, sıvıların yüzeyinde oluşan ve yüzeyin esnek bir zar gibi davranmasını sağlayan kuvvettir. Yüzeyde oluşan bu gerilim yukarıda bazılarını sıraladığımız ilginç olayların ortaya çıkmasının yanı sıra bitki ve ağaçlarda suyun köklerden yapraklara kadar iletilmesi gibi yaşamsal faaliyetler için de hayli önemlidir.

Yüzey geriliminin kaynağı, sıvının yüzeyindeki moleküller ile iç kısımlarındaki moleküller arasında oluşan elektriksel kuvvetlerin farklılık göstermesi ve yüzeydeki moleküllere etki eden elektriksel kuvvetlerin dengeli olmamasıdır. Örneğin bir bardak suyun içindeki bir su molekülüne (A), molekülü çevreleyen komşu su molekülleri her yönde eşit bir kuvvet uygularken yüzeydeki moleküllerde durum biraz farklıdır. Yüzeydeki bir moleküle (B) ise yüzeydeki hava molekülleri ve yüzeyin altındaki su molekülleri kuvvet uygular. Su molekülleri ile hava molekülleri arasındaki elektriksel etkileşim zayıf olduğu için yüzeydeki su moleküllerine bu yönde dikkate değer bir kuvvet etki etmez. Bunun sonucunda yüzeydeki moleküller suyun içine ve yanlara doğru çekilmeye zorlanır. Yüzeydeki su moleküllerine etki eden kuvvetler dengelenmemiş olduğundan su yüzey alanını en aza indirecek şekilde davranır.

Yüzeye paralel olan kuvvet, yüzey geriliminin sebebidir. Yüzeyde oluşan bu gerilim, cisimlerin dışarıdan suyun içine girmesini engelleyici bir etki gösterir ve bazı durumlarda cisimleri suyun yüzeyinde batmadan tutabilir.

Yüzey gerilimini daha iyi anlamak için aynı ve farklı moleküller arasında oluşan iki kuvvetten bahsetmek gerekir: kohezyon kuvveti ve adezyon kuvveti. Su molekülleri gibi aynı türden moleküller arasında oluşan çekim kuvvetine kohezyon, su molekülleri ile cam molekülleri gibi farklı moleküller arasında oluşan çekim kuvvetine ise adezyon kuvveti denir.

Bir madde için bu iki kuvvetin birbirine göre küçük veya büyük olması yukarıda örneklerini verdiğimiz ilginç durumların oluşmasına yol açar. Örneğin yaprakların üzerinde biriken suyun molekülleri arasında oluşan kohezyon kuvveti, su ile yaprak arasında oluşan adezyon kuvvetinden daha büyük olduğu için su yaprağın üzerine yayılmaz, kendi içine kapanarak küresel bir şekil alır. Eğer su ile yaprak arasında oluşan adezyon kuvveti kohezyondan daha büyük ise su damlası yaprağın üzerine tümüyle yayılarak yaprağı ıslatır. 

Günümüzde doğada kullanılmak üzere üretilen çadır ve bot gibi su geçirmeyen malzemelerde  su ile malzeme arasındaki adezyon kuvveti kohezyondan daha küçüktür. Dolayısıyla bu tür malzemeler ıslanmaz. Çamaşırları yıkamak için deterjan kullanmamızın nedeni, suyun kohezyon kuvvetini azaltarak suyun kirli maddenin ince gözeneklerine girmesini kolaylaştırmaktır.

Yüzey gerilimi birim uzunluk başına düşen kuvvet olarak tanımlanır ve Newton/metre (N/m) birimiyle ölçülür. Yüzey geriliminin değeri her sıvı için farklıdır ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Suyun yüzey gerilimi (0,073N/m) diğer sıvılarla karşılaştırıldığında çok büyüktür. Cıvanın yüzey gerilimi (0,47N/m) sudan daha büyüktür. Büyük yüzey gerilimine sahip olduğu için sıvı cıva neredeyse hiçbir yüzeye yapışmaz ve küresel şeklini korumaya çalışır.

Yüzey gerilimi gözlenen bazı etkilerinin yanı sıra ilginç olayların da ortaya çıkmasına yol açar. Normalde yoğunluğu sudan büyük olan cisimler eğer özel bir şekle sahip değillerse suda batar. Örneğin metallerin yoğunluğu sudan daha büyük olduğu için suyun yüzeyine konulduğunda hemen batar ve dibe çöker. Ancak suyun yüzey geriliminden dolayı iğne veya metal ataç gibi metal cisimler, yoğunlukları sudan büyük olsa da suyun üzerinde batmadan durabilir. Benzer şekilde sonbaharda dökülen yapraklar da yüzey geriliminden dolayı gölün üzerinde batmadan kalabilir.

Yüzey geriliminin etkisini görebileceğimiz bir başka yer yörük çadırlarıdır. Yörük çadırları keçi kılından yapılır ve gözeneklidir. Bu çadırlar gözenekli olmasına rağmen yağmur suyunu geçirmez.

Kaynaklar:

Yazar Hakkında:

Prof. Dr. Hüseyin Sarı
Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümü

Fizik-Kimya-Matematik

Ayın Matematik Sorusu köşesinde Haziran 2022 sorusunu doğru çözenler belli oldu.

Ayın Matematik Sorusu köşesinde Temmuz 2022 sorusu yayında!