Suyun Yüzey Gerilimi Nasıl Artar

Yağmur damlalarının akmadan nasıl pencere camının üzerinde kaldığını, bazı böceklerin nasıl suyun üzerinde yürüdüğünü veya ellerimizi yıkamak için neden sabun kullandığımızı hiç merak ettiniz mi? Peki, su damlalarının küre şeklinde olmasını sağlayan şey nedir? Örneğin su damlaları neden yüzey boyunca yayılmaz?

Deneyler köşesinin bu projesindeyüzey gerilimi etkisiyle yüzen kâğıttan bir balık tasarlayarak bu soruların cevabını bulmaya çalışıyoruz. Evde ya da okulda kolayca bulabileceğiniz malzemelerle gerçekleştirebileceğiniz bu proje sayesinde kâğıt balıkların yüzey gerilimi etkisiyle nasıl yüzdüğünü gözlemleyebilirsiniz.

Bilmekte Fayda Var!

Su damlacıklarının küre şeklinde olmasının nedeni yüzey gerilimidir.

Su molekülleri, aralarındaki etkileşimler (su molekülleri arasındaki bu etkileşim hidrojen bağı olarak isimlendirilir) nedeniyle birbirlerini zayıf bir şekilde çekerler.

Su Molekülleri Neden Birbirini Çeker?

Su (H₂O), polar bir moleküldür. Su molekülü bir oksijen atomuna bağlı iki hidrojen atomundan oluşur. Oksijen atomlarının elektronları çekme istediği, hidrojen atomlarınınkinden yüksektir. Su molekülünde hidrojen ve oksijen atomları arasındaki kimyasal bağın oluşumunda ortaklaşa kullanılan elektronlar, oksijen atomu tarafından hidrojen atomlarına kıyasla daha fazla çekilir. Bu nedenle oksijen atomlarının üzerindeki eksi yük yoğunluğu, hidrojen atomlarınınkinden daha yüksektir. Bu, su molekülünün polar bir molekül olmasının sebebidir. Bir su molekülündeki kısmen eksi yüklü oksijen atomu ile yanındaki diğer su molekülündeki kısmen artı yüklü hidrojen atomu arasında elektriksel bir çekim kuvveti ortaya çıkar. Bu etkileşim hidrojen bağı olarak isimlendirilir.

Su damlasının içindeki bir su molekülü kendisini tamamen çevreleyen diğer su molekülleri tarafından her yönden çekilir. Su damlasının havayla temas eden kısımlarındaki bir su molekülü ise, kendisini çevreleyen su molekülleri tarafından havayla temas ettiği kısımlara kıyasla daha güçlü çekilir.

Suyun yüzeyindeki ve içindeki su moleküllerine etki eden kuvvetler arasındaki bu farklılık nedeniyle suyun yüzeyi ince bir zar gibi davranır. Başka sıvılarda da görülebilen bu etki yüzey gerilimi olarak isimlendirilir.

Suyun içinde bulunan başka maddeler suyun yüzey gerilimini etkiler. Örneğin suya sabun ya da deterjan eklediğimizde yüzey gerilimi azalır. Tuz eklendiğinde ise yüzey gerilimi artar.

Suyun sıcaklığının değişmesi de yüzey gerilimini etkiler. Sıcaklık arttıkça yüzey gerilimi azalırken, sıcaklık azaldıkça yüzey gerilimi artar.

Nelere İhtiyacımız Var?

• Tepsi
• 3 adet küçük kap
• Bardak
• Su
• Farklı renklerde kâğıtlar (10 cm x 7 cm boyutlarında)
• Makas
• Damlalık
• Sıvı sabun
• Bulaşık deterjanı
• Tuz
• Sıvı yağ
• Diş macunu
• Kâğıt havlu
• Kürdan

Ne Yapıyoruz ?

Renkli kâğıtlara şekilde görüldüğü gibi küçük balık resimleri çizelim. Balıkların kuyruk kısmı V şeklinde olmalıdır.

Çizdiğimiz balık şekillerini makas yardımıyla kenarlarından keselim.

Bir tepsiye bir miktar su koyalım.

Tepsinin içindeki su durgunlaşana kadar bekleyelim.

Kapların yarısını suyla dolduralım. Birinci kaba bir miktar deterjan, ikinci kaba bir miktar sabun, üçüncü kaba bir miktar tuz ekleyerek karıştıralım.

Kâğıt balıklardan birini tepsinin içindeki suyun üzerine, kuyruğu tepsinin kenarına ve baş kısmı tepsinin merkezine bakacak şekilde yerleştirelim ve kâğıt balık hareketsiz kalıncaya kadar bekleyelim.

Kâğıt balığın kuyruğunda V şeklindeki açıklığın olduğu kısımdaki suyun yüzeyine, hazırladığımız deterjanlı sudan damlalık yardımıyla birkaç damla damlatalım.

Balık yüzdü mü, ne kadar hızlı yüzdü? Gözlemlerimizi kaydedelim.

Tepsiyi boşaltalım, su ile durulayarak deterjandan arındıralım ve bir kağıt havlu yardımıyla kurulayalım. Unutmayın! Deneyin doğru sonuç vermesi için her deneyde temiz ve kuru bir damlalık kullanılmalıdır.

Yeni bir kâğıt balık düzeneği hazırlayalım.

İkinci deneyde kâğıt balığın kuyruğunda V şeklindeki açıklığın olduğu kısımdaki suyun yüzeyine, sabunlu sudan damlalık yardımıyla birkaç damla damlatalım.

Gözlemlerimizi kaydedelim.

Üçüncü deney için yeni bir kâğıt balık düzeneği hazırlayalım.

Kâğıt balığın kuyruğunda V şeklindeki açıklığın olduğu kısımdaki suyun yüzeyine, tuzlu sudan damlalık yardımıyla birkaç damla damlatalım.

Gözlemlerimizi kaydedelim.

Deneyi sıvı yağ, diş macunu (suya eklemek için kürdan kullanabilirsiniz) ve mutfakta bulunabilecek başka bir madde ile tekrar edelim. 

Gözlemlerinizi kaydetmek için not defterinizde aşağıdaki gibi bir veri tablosu oluşturabilirsiniz.

Balığın ne kadar hızlı yüzdüğünü nasıl belirleyebilirsiniz?

Sürat, birim zamanda katedilen mesafedir. Balığın yüzerken katettiği mesafeyi bir cetvel yardımıyla tepsinin çapını ölçerek yaklaşık olarak belirleyebilirsiniz. Bu mesafeyi ne kadar zamanda katettiğini belirlemek için ise cep telefonlarındaki kronometre uygulamasından yararlanabilirsiniz. Balığın hızını katettiği mesafeyi ölçtüğünüz süreye bölerek yaklaşık olarak hesaplayabilirsiniz.

Ne Oldu?

Kâğıt balık suyun yüzeyine yerleştirildiğinde yüzey tamamen suyla çevrelendiği için yüzey gerilimi her yönden eşit şekilde etki eder ve balık hareket etmez. Balığın kuyruk kısmındaki V şeklindeki kısma birkaç damla deterjanlı su eklendiğinde o bölgedeki yüzey gerilimi aniden düşer. Bu değişim balığın hareket etmesine neden olur. Bu durum Newton’un hareket yasalarına mükemmel bir örnektir. Newton’un birinci hareket yasası (eylemsizlik yasası olarak da bilinir) bir cisme etki eden net kuvvet sıfırsa cisim duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa hareketine aynı yönde ve sabit hızla devam ettiğini söyler. Cisme etki eden kuvvetlerin bileşkesi sıfır değilse, cisim net kuvvet doğrultusunda ve yönünde ivme kazanır.

Başlangıçta kâğıt balığa etki eden kuvvetler dengede olduğu için balık hareket etmez. Balığın kuyruk kısmına deterjanlı su damlattığımız zaman balığa etki eden kuvvetlerin dengesi bozulduğu için hareket etmeye başlar.

Suya deterjanlı su damlattığımızda deterjan molekülleri suyun her yerine yayılır ve suyun yüzey gerilimini düşürür. Suya tekrar deterjanlı su damlattığımızda kâğıt balık hareket etmez.

Suyun yüzey geriliminin yüksek olması sayesinde bazı böcekler suda yürüyebilir. Ancak bazı durumlarda örneğin çamaşır veya bulaşık yıkarken suyun yüzey geriliminin düşük olmasını tercih ederiz. Çünkü giysilerimizde çok sayıda küçük gözenek vardır ve kirler bu gözeneklere girebilir. Yüzey geriliminin yüksek olması suyun bu gözeneklere sızmasını zorlaştırır. Sabun ve deterjan ilave ettiğimizde suyun yüzey gerilimi düşer ve sabunlu ya da deterjanlı su gözeneklere ve kirli bölgelere daha kolay nüfuz eder.

Düşünelim!

Etkinliği farklı büyüklükte ve şekilde kâğıt balıklar tasarlayarak ya da mutfağınızda bulunan başka sıvıları kullanarak tekrar edebilirsiniz.

. Balığın daha küçük ya da daha büyük olması hareketini nasıl etkiler?

. Balığın daire ya da kare şeklinde olması hareketini nasıl etkiler?

. Kullandığınız sıvılar balığın hareketini nasıl etkiledi?

Yazar Hakkında:

Dr. Tuğba Ecevit

Hacettepe STEM & Maker Lab. Ekibi Üyesi

Suyun yüzey gerilimi nasıl azalır?

Suya tuz eklenmesi ile birlikte tuz molekülleri suyun içine yayılır. Bu şekilde su molekülleri arasında kuvvet de artar. Sabun ile deterjanlar yüzey geriliminin azalmasına neden olacaktır. Sıcaklık arttıkça yüzey gerilimi de azalacaktır.

Düşük viskoziteli ne demek?

İnce veya düşük viskoziteli yağlar düşük sıcaklıkta motor parçalarını korumak için daha kolay akar. Kalın veya yüksek viskoziteli yağlar ise yüksek sıcaklıklarda motoru korumak için film dayanıklılığını korumakta daha iyidir.

Bir sıvının viskozitesini ne etkiler?

Sıvıdaki viskozite, sıvı molekülleri arasındaki etkileşimin artmasıyla artış gösterir. Sıvılarında moleküller arası çekim kuvvetleri sıcaklığın artması ile azalır. Böylece viskozite azalırken, akışkanlık artış gösterir. Örnek: Balın ısıtılması durumunda akışkanlığı artarken, viskozitesi azalır.

Viskozite arttıkça akışkanlık azalır mı?

Daha basit bir anlatımla viskozite, akışa ya da biçim değişikliğine karşı koymama özelliği demek olan akışkanlığın tersidir. Örneğin, akışa direnç gösteren zeytinyağının viskozitesi suyun vizkozitesinden büyükse, suyun akışkanlığı da zeytinyağının akışkanlığından büyüktür.

Viskoziteyi neler arttırır?

Artan basınçla bir sıvının viskozitesi artar, çünkü basıncın arttırılması sıvı içerisindeki boşluk sayısını azaltır ve bunun sonucu moleküllerin hareketi zorlaşır. Ancak yinede sıvıların viskoziteleri genellikle sıcaklığın kuvvetli bir fonksiyonu olmasına rağmen basınçtan pek fazla etkilenmezler.

Viskozite hangi durumlarda değişir?

Viskozite düşük ve orta basınç değerlerinde basınçtan etkilenmez fakat yüksek basınç altında yoğunluğu arttığı için basınçla birlikte viskozitesi artar. Viskozite, sıcaklık arttıkça artar.

Tuzlu su yüzey gerilimini artırır mı?

Örneğin suya tuz eklendiğinde tuz moleküllerinin suyun içinde yayılması yani yoğunluğunun artması su molekülleri arasındaki kuvveti arttıracağından suyun yüzey gerilimi artar. Sabun ve deterjanlar yüzey gerilimini azaltır.