قطرة (سائلة)

القطرة هي عمود صغير من السائل ، محاط كليًا أو شبه كليًا بأسطح حرة . تتشكل القطرة عندما يتراكم السائل عند نهاية أنبوب أو أي سطح آخر، مُنتجًا قطرة معلقة. كما تتشكل القطرات أيضًا من تكثف البخار أو من تفتت كتلة أكبر من مادة صلبة . يتكثف بخار الماء إلى قطرات تبعًا لدرجة الحرارة. تُسمى درجة الحرارة التي تتشكل عندها القطرات بنقطة الندى .

يتشكل السائل على شكل قطرات لأنه يُظهر خاصية التوتر السطحي . ^{[ 1 ]}

إحدى الطرق البسيطة لتكوين قطرة سائلة هي السماح لسائل بالتدفق ببطء من الطرف السفلي لأنبوب رأسي صغير القطر. يتسبب التوتر السطحي للسائل في تعلقه بالأنبوب، مكونًا ما يشبه المعلق. عندما تتجاوز القطرة حجمًا معينًا، تفقد ثباتها وتنفصل. السائل المتساقط هو أيضًا قطرة متماسكة بفعل التوتر السطحي.

في اختبار القطرة المعلقة، تُعلق قطرة من السائل من نهاية أنبوب أو من أي سطح بفعل التوتر السطحي . تتناسب القوة الناتجة عن التوتر السطحي طرديًا مع طول الحد الفاصل بين السائل والأنبوب، ويُرمز لثابت التناسب عادةً بـ${\displaystyle \gamma }$[ ^{2 ]} بما أن طول هذا الحد هو محيط الأنبوب، فإن القوة الناتجة عن التوتر السطحي تُعطى بالعلاقة التالية ^:

${\displaystyle \,F_{\gamma }=\pi d\gamma }$

حيث يمثل d قطر الأنبوب.

يمكن إيجاد كتلة القطرة m المعلقة من نهاية الأنبوب عن طريق مساواة القوة الناتجة عن الجاذبية (${\displaystyle F_{g}=mg}$) مع مركبة التوتر السطحي في الاتجاه الرأسي (${\displaystyle F_{\gamma }\sin \alpha }$) مما يعطي الصيغة

${\displaystyle \,mg=\pi d\gamma \sin \alpha }$

حيث α هي زاوية التلامس مع السطح الأمامي للأنبوب، و g هي التسارع الناتج عن الجاذبية.

تُعطي نهاية هذه الصيغة، عندما تقترب قيمة α من 90 درجة، أقصى وزن لقطرة معلقة لسائل ذي توتر سطحي معين.${\displaystyle \gamma }$.

${\displaystyle \,mg=\pi d\gamma }$

تُشكّل هذه العلاقة أساسًا لطريقة ملائمة لقياس التوتر السطحي، شائعة الاستخدام في صناعة النفط. وتتوفر طرق أكثر تطورًا تأخذ في الحسبان تغير شكل القطرة المعلقة مع نموها. وتُستخدم هذه الطرق في حال كان التوتر السطحي غير معروف. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يمكن تقسيم التصاق القطرة بسطح صلب إلى فئتين: الالتصاق الجانبي والالتصاق العمودي. يشبه الالتصاق الجانبي الاحتكاك (مع أن مصطلح "الالتصاق الجانبي" أدق من الناحية الاحتكاكية )، ويشير إلى القوة اللازمة لتحريك القطرة على السطح، أي القوة اللازمة لفصل القطرة عن موضعها على السطح ونقلها إلى موضع آخر. أما الالتصاق العمودي فهو القوة اللازمة لفصل القطرة عن السطح في الاتجاه العمودي، أي القوة اللازمة لدفع القطرة بعيدًا عن السطح. يمكن قياس كلا نوعي الالتصاق باستخدام ميزان الالتصاق المركزي (CAB). يستخدم هذا الميزان مزيجًا من قوى الطرد المركزي والجاذبية للحصول على أي نسبة بين القوى الجانبية والعمودية. على سبيل المثال، يمكنه تطبيق قوة عمودية عند انعدام القوة الجانبية لدفع القطرة بعيدًا عن السطح في الاتجاه العمودي، أو يمكنه توليد قوة جانبية عند انعدام القوة العمودية (محاكاة انعدام الجاذبية ).

مصطلح " قطرة " هو تصغير لكلمة "قطرة"، ويُستخدم عادةً للإشارة إلى جزيئات سائلة يقل  قطرها عن 500 ميكرومتر. في الرش ، تُوصف القطرات عادةً بحجمها الظاهري (أي قطرها)، بينما تعتمد الجرعة (أو عدد الجزيئات المعدية في حالة المبيدات الحيوية ) على حجمها. ويزداد هذا الحجم تناسبًا طرديًا مع مكعب القطر ؛ لذا،  تمثل قطرة قطرها 50 ميكرومتر جرعةً مقدارها 65  بيكولتر،  وتمثل قطرة قطرها 500 ميكرومتر جرعةً مقدارها 65 نانولتر.

 تبلغ السرعة النهائية لقطرة قطرها 3 مم حوالي 8  م/ث. ^{[ 5 ]} تصل القطرات التي يقل قطرها عن 1 مم إلى 95% من سرعتها النهائية في غضون مترين . أما القطرات التي يزيد قطرها عن ذلك، فتزداد المسافة اللازمة للوصول إلى السرعة النهائية بشكل حاد. على سبيل المثال، قد تصل قطرة قطرها 2 مم إلى هذه السرعة عند مسافة 5.6 متر . ^{[ 5 ]}

بسبب اختلاف معامل انكسار الماء والهواء ، يحدث الانكسار والانعكاس على أسطح قطرات المطر ، مما يؤدي إلى تكوين قوس قزح .

يُعدّ رنين الفقاعات المثارة المحصورة تحت الماء المصدر الرئيسي للصوت عند اصطدام قطرة بسطح سائل . وتُعدّ هذه الفقاعات المتذبذبة مسؤولة عن معظم أصوات السوائل، مثل صوت الماء الجاري أو صوت الرذاذ، لأنها في الواقع ناتجة عن اصطدامات عديدة بين القطرات والسائل. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يُستمد الشكل الكلاسيكي للقطرة (ذات الطرف المدبب في أعلاها) من ملاحظة التصاق القطرة بسطح ما. في الواقع، يكون شكل القطرة الساقطة عبر غاز كرويًا تقريبًا بالنسبة للقطرات التي يقل  قطرها عن 2 مم. ^{[ 9 ]} أما القطرات الأكبر حجمًا، فتميل إلى أن تكون أكثر تسطحًا في الجزء السفلي نتيجة لضغط الغاز الذي تتحرك خلاله. ^{[ 10 ]} ونتيجة لذلك، مع ازدياد حجم القطرات، يتشكل تجويف مقعر يؤدي في النهاية إلى تفتتها.

طول الشعيرات الدموية

يُعدّ طول الشعيرات الدموية عامل قياس طولي يربط بين الجاذبية والكثافة والتوتر السطحي ، وهو المسؤول مباشرةً عن شكل قطرة سائل معين. وينبثق طول الشعيرات الدموية من ضغط لابلاس ، باستخدام نصف قطر القطرة.

باستخدام طول الشعيرات الدموية، يمكننا تعريف القطرات الميكروية والقطرات الماكروية. القطرات الميكروية هي قطرات نصف قطرها أصغر من طول الشعيرات الدموية، حيث يتحكم التوتر السطحي في شكل القطرة، فتتخذ شكلاً كروياً تقريباً . أما إذا كان نصف قطر القطرة أكبر من طول الشعيرات الدموية، فتُعرف بالقطرات الماكروية، وفي هذه الحالة تسود قوى الجاذبية. فتُصبح القطرات الماكروية مسطحة بفعل الجاذبية، ويقل ارتفاعها. ^{[ 11 ]}

تتراوح أحجام قطرات المطر عادةً من 0.5  مم إلى 4  مم، مع انخفاض سريع في توزيع الأحجام بعد الأقطار الأكبر من 2-2.5  مم. ^{[ 12 ]}

كان العلماء يعتقدون تقليديًا أن تباين أحجام قطرات المطر يعود إلى اصطدامها أثناء هبوطها إلى الأرض. في عام 2009، نجح باحثون فرنسيون في إثبات أن توزيع الأحجام ناتج عن تفاعل القطرات مع الهواء، مما يُشوه القطرات الأكبر حجمًا ويؤدي إلى تفتتها إلى قطرات أصغر، وبالتالي يحد فعليًا من قطر أكبر قطرات المطر إلى حوالي 6  ملم. ^{[ 13 ]} مع ذلك، فإن القطرات التي يصل قطرها إلى 10  ملم (أي ما يعادل حجم كرة نصف قطرها 4.5  ملم) مستقرة نظريًا ويمكن رفعها في نفق هوائي. ^{[ 9 ]} سُجلت أكبر قطرة مطر  بقطر 8.8 ملم، وُجدت عند قاعدة سحابة ركامية كثيفة بالقرب من جزيرة كواجالين المرجانية في يوليو 1999. كما رُصدت قطرة مطر مماثلة الحجم فوق شمال البرازيل في سبتمبر 1995. ^{[ 14 ]}

• 
  صبغ أزرق يُسكب في طبق من الحليب
• 
  تأثير قطرة الماء
• 
  ارتداد ناتج عن تأثير السقوط
• قطرات المطر تصطدم وتتساقط
• 
  صورة إدجيرتون فائقة السرعة لرذاذ قطرة حليب تشكل تاجًا صغيرًا
• 
  تصطدم قطرة ماء بسطح معدني مبلل، فتقذف المزيد من القطرات التي تتحول إلى كريات مائية وتنزلق على سطح الماء.
• 
  قطرة ماء على ورقة شجر، تأثير كاره للماء ، ترطيب جزئي
• 
  اندفاع ثلاثي للخلف بعد الاصطدام
• 
  صورة لقطرة مطر على سعفة سرخس
• 
  فصل القطرة
• 
  قطرات الماء تتشكل من رأس الدش
• 
  قطرة ماء على نبات من الفصيلة النجمية
• 
  قطرات الماء التي تعكس زهرة صغيرة
• 
  قطرة مطر على ورقة شجر
• 
  قطرات الماء على الزجاج
• 
  قطرات ماء النافورة كما تظهر في تعريض قصير جدًا
• 
  قطرات المطر على ورقة نبات الورد
• 
  تدفق مياه الأمطار من مظلة الأشجار. من بين القوى التي تحكم تكوين القطرات: التوتر السطحي ، والتماسك ، وقوة فان دير فالس ، وعدم استقرار بلاتو-رايلي .

• تجربة انخفاض درجة الحرارة
• مطر
• رذاذ (ديناميكا الموائع)
• تآكل قطرات الماء
• تقطير (إبريق الشاي)
• تاج إدجيرتون ميلك دروب

• منحوتات سائلة – صور لقطرات
• الفن السائل – معارض لفن تصوير قطرات السوائل (تمت أرشفته في 19 مارس 2008)
• (تختلف بشكل كبير) حسابات هدر المياه من الصنبور المتسرب:،( تمت أرشفة بتاريخ 13 أغسطس 2009 في موقع Wayback Machine )