الخاصية الشعرية

الخاصية الشعرية (تسمى أحيانًا الشعرية ، أو الحركة الشعرية ، أو الارتفاع الشعري ، أو التأثير الشعري ، أو الامتصاص الشعري ) هي عملية تدفق السائل في مساحة ضيقة دون مساعدة قوى خارجية مثل الجاذبية .

يمكن ملاحظة هذا التأثير في سحب السوائل بين شعيرات فرشاة الطلاء، وفي أنبوب رفيع مثل القشة ، وفي المواد المسامية مثل الورق والجص، وفي بعض المواد غير المسامية مثل الطين وألياف الكربون المسالة ، أو في الخلايا البيولوجية .

يحدث ذلك بسبب قوى التجاذب بين جزيئات السائل والأسطح الصلبة المحيطة به. إذا كان قطر الأنبوب صغيرًا بما يكفي، فإن مزيج التوتر السطحي (الناتج عن التماسك داخل السائل) وقوى الالتصاق بين السائل وجدار الوعاء يعمل على دفع السائل.

كلمة "شعيرية" مشتقة من الكلمة اللاتينية capillaris ، والتي تعني "شبيهة بالشعر". وينبع هذا المعنى من القطر الصغير الشبيه بالشعرة للشعيرة الدموية .

أول من لاحظ ظاهرة الخاصية الشعرية كان ليوناردو دافنشي . ^{[ 1 ] [ 2 ]} ويُقال إن نيكولو أغيونتي ، أحد طلاب غاليليو السابقين ، قد بحث في هذه الظاهرة. ^{[ 3 ]} في عام 1660، كانت الخاصية الشعرية لا تزال جديدة على الكيميائي الأيرلندي روبرت بويل ، عندما ذكر أن "بعض الفرنسيين الفضوليين" لاحظوا أنه عند غمر أنبوب شعري في الماء، يصعد الماء إلى "ارتفاع معين في الأنبوب". ثم روى بويل تجربة غمر فيها أنبوبًا شعريًا في نبيذ أحمر، ثم عرّض الأنبوب لتفريغ جزئي. ووجد أن التفريغ لم يكن له تأثير ملحوظ على ارتفاع السائل في الأنبوب الشعري، لذا فإن سلوك السوائل في الأنابيب الشعرية يعود إلى ظاهرة مختلفة عن تلك التي تحكم البارومترات الزئبقية. ^{[ 4 ]}

وسرعان ما حذا آخرون حذو بويل. ^{[ 5 ]} اعتقد البعض (مثل أونوريه فابري ، ^{[ 6 ]} وجاكوب برنولي ^{[ 7 ]} ) أن السوائل ترتفع في الأنابيب الشعرية لأن الهواء لا يستطيع دخولها بسهولة كما يدخلها السائل، لذا يكون ضغط الهواء أقل داخلها. بينما اعتقد آخرون (مثل إسحاق فوسيوس ، ^{[ 8 ]} وجيوفاني ألفونسو بوريلي ، ^{[ 9 ]} ولويس كاريه ، ^{[ 10 ]} وفرانسيس هوكسبي ، ^{[ 11 ]} وجوسيا ويتبريشت ^{[ 12 ]} ) أن جزيئات السائل تنجذب إلى بعضها البعض وإلى جدران الأنبوب الشعري.

على الرغم من استمرار الدراسات التجريبية خلال القرن الثامن عشر، ^{[ 13 ]} لم يتم التوصل إلى معالجة كمية ناجحة للخاصية الشعرية ^{[ 14 ]} إلا في عام 1805 على يد باحثين اثنين: توماس يونغ من المملكة المتحدة ^{[ 15 ]} وبيير سيمون لابلاس من فرنسا. ^{[ 16 ]} وقد استنتجا معادلة يونغ-لابلاس للخاصية الشعرية. وبحلول عام 1830، حدد عالم الرياضيات الألماني كارل فريدريش غاوس الشروط الحدية التي تحكم الخاصية الشعرية (أي الشروط عند سطح التماس بين السائل والصلب). ^{[ 17 ]} وفي عام 1871، حدد الفيزيائي البريطاني السير ويليام طومسون (الذي أصبح لاحقًا اللورد كلفن) تأثير السطح المقعر على ضغط بخار السائل ، وهي علاقة تُعرف بمعادلة كلفن . ^{[ 18 ]} وفي وقت لاحق، حدد الفيزيائي الألماني فرانز إرنست نيومان (1798-1895) التفاعل بين سائلين غير قابلين للامتزاج. ^{[ 19 ]}

كانت أول ورقة بحثية لألبرت أينشتاين ، والتي تم تقديمها إلى Annalen der Physik في عام 1900، حول الشعيرات الدموية. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

تتشابه آلية اختراق الخاصية الشعرية في الأوساط المسامية مع آلية التدفق في الأنابيب المجوفة، حيث تُقاوم كلتا العمليتين بقوى اللزوجة. ^{[ 22 ]} ونتيجةً لذلك، يُعد الأنبوب الشعري من الأجهزة الشائعة المستخدمة لتوضيح هذه الظاهرة . فعند وضع الطرف السفلي لأنبوب زجاجي في سائل، كالماء، يتشكل سطح مقعر. ويحدث التصاق بين السائل والجدار الداخلي الصلب، ساحبًا عمود السائل معه حتى تتراكم كتلة كافية منه لتتغلب قوى الجاذبية على قوى التجاذب بين جزيئاته. ويتناسب طول التلامس (حول الحافة) بين قمة عمود السائل والأنبوب طرديًا مع نصف قطر الأنبوب، بينما يتناسب وزن عمود السائل طرديًا مع مربع نصف قطر الأنبوب. لذا، فإن الأنبوب الضيق يسحب عمود السائل لمسافة أبعد من الأنبوب الأوسع، شريطة أن تتماسك جزيئات الماء الداخلية بشكل كافٍ مع جزيئات الماء الخارجية.

في البيئة المبنية، يكون التبخر المحدود للاختراق الشعري مسؤولاً عن ظاهرة الرطوبة الصاعدة في الخرسانة والبناء ، بينما في الصناعة والطب التشخيصي يتم تسخير هذه الظاهرة بشكل متزايد في مجال الموائع الدقيقة الورقية . ^{[ 22 ]}

في علم وظائف الأعضاء، تُعدّ الخاصية الشعرية ضرورية لتصريف سائل الدموع المُنتَج باستمرار من العين. توجد قناتان صغيرتان في الزاوية الداخلية للجفن ، تُسميان أيضاً بالقنوات الدمعية ؛ ويمكن رؤية فتحاتهما بالعين المجردة داخل الأكياس الدمعية عند قلب الجفنين.

تمتص المناشف الورقية السوائل عبر الخاصية الشعرية، مما يسمح بانتقال السائل من السطح إلى المنشفة. تعمل المسامات الصغيرة في الإسفنج كشعيرات دقيقة، مما يجعله يمتص كمية كبيرة من السوائل. يُقال إن بعض الأقمشة تستخدم الخاصية الشعرية لامتصاص العرق بعيدًا عن الجلد. وغالبًا ما يُشار إليها بالأقمشة الماصة للعرق ، نسبةً إلى الخاصية الشعرية لفتائل الشموع والمصابيح .

تُلاحظ الخاصية الشعرية في كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة ، حيث يتحرك المذيب عموديًا لأعلى الصفيحة بفعل الخاصية الشعرية. في هذه الحالة، تكون المسام عبارة عن فجوات بين جزيئات صغيرة جدًا.

تعمل الخاصية الشعرية على سحب الحبر إلى رؤوس أقلام الحبر من خزان أو خرطوشة داخل القلم.

في بعض أزواج المواد، مثل الزئبق والزجاج، تتجاوز القوى بين الجزيئات داخل السائل تلك الموجودة بين المادة الصلبة والسائل، لذلك يتشكل سطح محدب وتعمل الخاصية الشعرية في الاتجاه المعاكس.

في علم المياه ، تصف الخاصية الشعرية انجذاب جزيئات الماء إلى جزيئات التربة. وتُعدّ هذه الخاصية مسؤولة عن نقل المياه الجوفية من المناطق الرطبة في التربة إلى المناطق الجافة. وتؤدي الاختلافات في جهد التربة (${\displaystyle \Psi _{m}}$) تحفز الخاصية الشعرية في التربة.

من التطبيقات العملية للخاصية الشعرية السيفون الشعري. فبدلاً من استخدام أنبوب مجوف (كما هو الحال في معظم السيفونات)، يتكون هذا الجهاز من حبل مصنوع من مادة ليفية (كحبل قطني أو خيط). بعد تشبيع الحبل بالماء، يُوضع أحد طرفيه (المثقل) في خزان مملوء بالماء، والطرف الآخر في وعاء استقبال. يجب أن يكون مستوى الماء في الخزان أعلى من مستوى الماء في وعاء الاستقبال. ^{[ 23 ]} وهناك سيفون شعري مبسط يتكون من قضيبين من الفولاذ المقاوم للصدأ على شكل خطاف، سطحهما محب للماء، مما يسمح للماء بترطيب الأخاديد الضيقة بينهما. ^{[ 24 ]} وبفضل الخاصية الشعرية والجاذبية، ينتقل الماء ببطء من الخزان إلى وعاء الاستقبال. يمكن استخدام هذا الجهاز البسيط لريّ النباتات المنزلية عندما لا يكون أحد في المنزل. كما تُستغل هذه الخاصية في تزييت قاطرات البخار : حيث تُستخدم فتائل من الصوف الممشط لسحب الزيت من الخزانات إلى أنابيب التوصيل المؤدية إلى المحامل . ^{[ 25 ]}

عندما تتلامس مادة مسامية جافة مع سائل، فإنها تمتص السائل بمعدل يتناقص بمرور الوقت. عند الأخذ في الاعتبار التبخر، يصل اختراق السائل إلى حد أقصى يعتمد على معايير درجة الحرارة والرطوبة والنفاذية. تُعرف هذه العملية باسم الاختراق الشعري المحدود بالتبخر ^{[ 22 ]} ، وتُلاحظ على نطاق واسع في حالات شائعة، بما في ذلك امتصاص السوائل في الورق والرطوبة الصاعدة في الجدران الخرسانية أو المبنية من الطوب. بالنسبة لمقطع على شكل قضيب من مادة ما، مساحة مقطعه العرضي A ، مبلل من أحد طرفيه، فإن الحجم التراكمي V للسائل الممتص بعد مرور زمن t هو

${\displaystyle V=AS{\sqrt {t}},}$

حيث S هي معامل امتصاص الوسط، بوحدات م·ث⁻¹ ^/² أو مم·دقيقة⁻¹ ^/² . وتتشابه هذه العلاقة الزمنية مع معادلة واشبورن للامتصاص الشعري في الأنابيب الشعرية والأوساط المسامية. ^{[ 33 ]} الكمية

${\displaystyle i={\frac {V}{A}}}$

يُطلق عليه اسم كمية السائل المتراكمة، ويُقاس بوحدة الطول. يعتمد طول الجزء المبلل من القضيب، أي المسافة بين طرفه المبلل وما يُسمى بالجبهة المبللة ، على نسبة f من الحجم الذي تشغله الفراغات. هذه النسبة f هي مسامية الوسط؛ ومن ثمّ يكون طول الجزء المبلل هو

${\displaystyle x={\frac {i}{f}}={\frac {S}{f}}{\sqrt {t}}.}$

يستخدم بعض المؤلفين الكمية S/f كمقياس للامتصاص. ^{[ 34 ]}

الوصف أعلاه ينطبق على الحالة التي لا تلعب فيها الجاذبية والتبخر أي دور.

تُعدّ خاصية امتصاص الرطوبة من الخصائص المهمة لمواد البناء، لأنها تؤثر على كمية الرطوبة الصاعدة . بعض قيم امتصاص الرطوبة لمواد البناء موضحة في الجدول أدناه.

• رقم بوند – رقم لا بُعدي في ديناميكا الموائع. صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه. 
• الماء المرتبط – طبقة رقيقة من الماء تحيط بالأسطح المعدنية 
• الخاصية الشعرية عبر الشبكة الاصطناعية
• هامش شعري – طبقة تحت سطحية تتسرب فيها المياه الجوفية من مستوى المياه الجوفية بفعل الخاصية الشعرية 
• الضغط الشعري – الضغط بين سائلين ناتج عن القوى بين السوائل وجدران الأنابيب 
• الموجة الشعرية – موجة على سطح سائل، يهيمن عليها التوتر السطحي 
• الجسور الشعرية – الحد الأدنى من سطح السائل الذي يربط بين جسمين مبللين. صفحات تعرض أوصافًا موجزة لأهداف إعادة التوجيه 
• العزل المائي - نوع من أنواع التحكم في الرطوبة في بناء المباني 
• قانون دارسي – معادلة تصف تدفق سائل عبر وسط مسامي 
• زهرة الصقيع – طبقة رقيقة من الجليد تنبثق من النبات 
• انتفاخ التربة بفعل الصقيع – انتفاخ التربة إلى الأعلى أثناء التجمد 
• معجزة الحليب الهندوسية – حوادث معجزة مزعومة عام 1995 صفحات تعرض أوصافًا موجزة لأهداف إعادة التوجيه 
• نموذج كروغ
• قياس المسامية – قياس وتوصيف مسامية المادة 
• الجليد الإبري – عمود جليدي يتشكل عندما ترتفع المياه الجوفية السائلة إلى الهواء المتجمد 
• التوتر السطحي – ميل سطح السائل إلى الانكماش لتقليل مساحة السطح 
• معادلة واشبورن – معادلة تصف طول اختراق السائل داخل أنبوب شعري مع مرور الوقت 
• معادلة يونغ-لابلاس – تصف فرق الضغط عبر سطح فاصل في ميكانيكا الموائع 

• دي جين، بيير جيل؛ بروشار ويارت، فرانسواز؛ كيري، ديفيد (2004). الشعيرات الدموية وظواهر الترطيب . سبرينغر نيويورك. دوى : 10.1007/978-0-387-21656-0 . رقم ISBN 978-1-4419-1833-8.