Uvod
Kapilarni efekat je pojava pri kojoj se tečnost podiže ili spušta u tankim cevima (kapilarama) bez spoljnog uticaja pritiska, već zahvaljujući međumolekulskim silama. Ova pojava ima značajnu primenu u prirodi i tehnici, a posebno je važna za razumevanje kako biljke dopremaju vodu do svojih najviših delova.
Zašto se voda penje uz zidove čaše?
Ako sipamo vodu u staklenu čašu i pažljivo pogledamo, primetićemo da površina vode uz zidove čaše nije ravna – voda se blago podigla uz staklo.
Ovo se dešava zbog adhezije – sile privlačenja između molekula vode i stakla. Adhezija „vuče“ molekule vode ka zidovima čaše, dok površinski napon teži da smanji slobodnu površinu tečnosti. Kada se ove dve sile izjednače, voda prestaje da se penje.
Zašto se voda ne popne do vrha čaše?
- Atmosferski pritisak odozgo i vakuum koji bi nastao odozdo stvaraju silu koja gura vodu nazad.
- Težina vode u čaši vuče tečnost na dole.
Kapilarni efekat u cevima
Ako uronimo staklenu cev u čašu, voda će se primetno popeti uz zidove cevi. Zašto?
Atmosferski pritisak deluje i na površinu vode u čaši i na površinu vode u cevi, pa se pritisci kompenzuju. Jedina sila koja se suprotstavlja podizanju vode sada je težina stuba tečnosti u cevi.
Kada se izjednače sile adhezije i težina stuba tečnosti, voda prestaje da se penje. Visina do koje se voda podigne zavisi od poluprečnika cevi – što je cev tanja, voda se penje više.
Formula za visinu kapilarnog uspona
Visina $h$ do koje se tečnost podigne u kapilari može se izračunati pomoću formule:
$ h = \frac{2 \sigma \cos \theta}{\rho g r} $
Gde su:
- $\sigma$ – površinski napon tečnosti
- $\theta$ – kontaktni ugao između tečnosti i zida cevi
- $\rho$ – gustina tečnosti
- $g$ – ubrzanje zemljine teže
- $r$ – poluprečnik kapilare
Iz formule vidimo da je $h \propto \frac{1}{r}$, što znači da se u tanjim cevima tečnost penje više.
Kapilarni efekat u prirodi
Biljke koriste kapilarni efekat da dopreme vodu od korena do krošnje. U stablu i granama nalaze se mikroskopske cevčice – ksilem – kroz koje voda i mineralne materije putuju ka listovima, bez ikakve pumpe.
Praktične primene
- Transport vode u biljkama
- Upijanje tečnosti u papirnim ubrusima
- Kretanje vode kroz tlo
- U nekim medicinskim uređajima
Kardiovaskularni sistem
Najmanji krvni sudovi u organizmu se zovu kapilari, upravo zbog toga što glavni mehanizam transporta krvi kroz kardiovaskularni sistem, predstavlja kapilarni efekat. Kada bi se “raspetljali” svi krvni sudovi u ljudskom organizmu i od njih načinila jedinstvena cevčica, nadovezivanjem, njena dužina bi iznosila 180.000km!!! Dovoljno da se više od četiri puta obmota zemaljska kugla.
Progurati tečnost (krv) kroz ovako dugačku cevčicu predstavlja ogroman izazov, uzevši u obzir otpore koji se pri tom javljaju (trenje sa zidovima krvnih sudova, viskoznost krvi itd). Kada bi krv kroz kardiovaskularni sistem morala prolaziti pod pritiskom, srce bi imalo dimenzije kuće, a krvni sudovi najbliži srcu bi morali biti od debelog čelika. Priroda je iskoristila kapilarni efekat kao osnovni mehanizam transporta krvi kroz kardiovaskularni sistem. Na taj način nije neophodno da srce pumpa krv kroz ceo sistem, već samo kroz arterijski deo, do prvih kapilara, odakle krv nastavlja da se kreće kapilarnim efektom.