Capillärkrafter

Capillärkrafter är krafter som verkar när vätska befinner sig i smala geometriska utrymmen där den gränsar till gas eller mot en fast yta. De uppstår på grund av ytspänningen vid vätskans gräns och av vätskans interaktion med ytan (adhesion och kohesion). Dessa krafter kan få vätskan att stiga eller sjunka i små rör och mellan två ytor och spelar en viktig roll i både natur- och tekniska processer där vätska transporteras genom porer eller längs ytor.

Grundläggande principer: ytspänningen gamma vid vätskans gräns mot gas och kontaktvinkeln theta mellan vätskan och den fasta ytan avgör hur väl ytan våtas. Youngs ekvation kopplar samman de olika ytskikterna: gamma_SG = gamma_SL + gamma_LG cos theta. Kapillär tryck uppstår av meniskens form och ges i ett cylindriskt rör av ΔP = 2 gamma_LG cos theta / r, där r är inre radien. Detta tryck driver uppstigande vätska i smala rör (eller nedstigning om ytan inte våtas väl). Uppstigningshöjden för ett rör är ungefär h = 2 gamma_LG cos theta /(rho g r). För två parallella plattor med avstånd d kan höjden uppskattas till h ≈ 2 gamma_LG cos theta /(rho g d). Den dominerande längdenheten är capillary length l_c = sqrt(gamma_LG /(rho g)).

Faktorer och begränsningar: kapillärkrafter påverkas av vätskans sammansättning, ytors egenskaper, temperatur och gravitation. Kosinus av theta avgör riktningen och styrkan i våtningen; theta < 90° ger kapillär uppstigande, theta > 90° kan leda till nedstigning.

Betydelse och tillämpningar: kapillärkrafter styr vattentransport i mark och växter, wicking i textilier och byggmaterial, samt funktion i mikrofluidik, bläckstråletryck och porösa material. De är centrala för förståelsen av hur vätskor beter sig i små skalor och i porous media.