בתמונה זו ניתן לראות תופעה הנקראת גשם. גשם הוא משקע נוזלי שקוף הנופל כטיפות מים זעירות.

מדוע טיפות הגשם הן כדוריות?

בציורים רבים ניתן לראות טיפות גשם בצורת דמעה, אך בדרך כלל טיפות קטנות של גשם הן כדוריות עיגוליות או אליפטיות לחלוטין. טיפות גדולות יותר מקבלות צורה שטוחה יותר. טיפות הגשם הן כדוריות משום השטח של המים. תכונה זו של מים נובעת מהכוחות הבין מולקולאריים הפועלים על מולקולות המים הנמצאות על פני הנוזל. מולקולות הנמצאות תחת לפני השטח של הנוזל נמשכות במידה שווה על ידי מולקולות הנמצאות מכל עבריהן כך שמאזן הכוחות שפועלים עליהן הוא 0, ואילו מולקולות הנמצאות על פני השטח של הנוזל נמשכות רק על ידי מולקולות הנמצאות לידן או מתחתן. הכוח המושך את המולקולות מפני השטח אל תוך הנוזל גורם לשטח הפנים להתכווץ ולהתנהג כמו קרום. המדד לכוחות הפנימיים שעליהם יש להתגבר כדי להרחיב את שטח הפנים של הנוזל נקרא מתח פנים. מתח הפנים הוא האנרגיה הדרושה כדי להגדיל את שטח הפנים ביחידת שטח אחת. מתח פנים הוא תכונה המאפיינת את כל הנוזלים, וככל שהכוחות הפועלים בין האטומים או בין במולקולות המרכיבות את הנוזל גדולים יותר, מתח הפנים גדול יותר. מתח הפנים של מים גבוה בהשוואה לנוזלים אחרים, וזאת בגלל קשרי המימן החזקים המתקיימים בין המולקולות שלו.

מדוע הטיפות קופצות חזרה למעלה כאשר הן נוגעות ברצפה?

חוק שימור האנרגיה אומר שאנרגיה לא נוצרת ולא נעלמת יש מאין. משום כך, כאשר טיפת גשם נופלת אנכית לכיוון הקרקע, ופוגעת בקרקע- האנרגיה שלה לא תעלם. בעקבות חוק שימור התנועה, שאומר שגוף תמיד ישאף להישאר במנוחה או בתנועה במהירות קבועה בקו ישר, כל עוד לא משפיע עליו כוח חיצוני: כאשר טיפה נופלת בקו ישר לכיוון הרצפה, היא שומרת על אנרגית התנועה שלה. כשהיא פוגעת ברצפה, אנרגית התנועה שלה לא נעלמת, היא ממשיכה לנוע בקו ישר, אך בכיוון ההפוך- למעלה. הטיפה לא ממשיכה 'לקפץ' מעלה ומטה, אלא נופלת לרצפה, משום שמופעל עליה כוח חיצוני שמאט אותה, וכשעצם עולה למעלה מהירות התנועה שלו יותר איטית מאשר שהוא יורד למטה. משום כך, האנרגיה נחלשת והטיפה מפסיקה לקפץ מעלה ומטה.

הרחבה

כדור המים המופיע בתצלום מהווה לרגע מעין טיפת ענק. התכדרות הטיפה נובעת מכוחות משיכה בין מולקולות המים. מולקולה שנמצאת בתוך הטיפה נמשכת באופן שווה לכל הכיוונים על ידי המולקולות שמקיפות אותה ואילו המולקולות על שפת הטיפה נמשכות פנימה אל שכנותיהן - זהו המקור למתח פנים.

מתח פנים- הוא גודל פיזיקלי שנמדד ביח' כוח ליח' אורך, או ביח' של אנרגיה ליח' שטח. זאת אומרת שמתח הפנים מבטא את כמות האנרגיה הדרושה כדי להגדיל את שטח הפּנים ביחידת שטח אחת.

בגלל שהמבנה הכדורי הוא בעל שטח פנים נמוך לנפח נתון-ניתן להבין כי זהו גם המצב בעל אנרגיית הפנים הנמוכה ביותר.

הפיזיקאי הבריטי תומס יאנג ערך כמה ניסויים והגיע למשוואה האומרת שככל שמתח הפנים בין הנוזל לאוויר גבוה יותר כך יראה הנוזל מכודרר יותר (בהרטבה מועטה-הנוזל יתכדרר יותר מאשר בהרטבה רבה).

הסבר מלא של התופעה אפשר למצוא ב "תהודה"

עוד על מתח פנים

בכל נוזל כוחות בין מולקולאריים יגרמו למולקולות הנוזל להמשך זו לזו. כוחות אלה ידועים בשם "כוחות מלכדים" ( cohesive forces). בתוך הנוזל מולקולה מוקפת מכל הכיוונים במולקולות אחרות ולכן כוחות המשיכה מבטלים זה את זה והכוח השקול על מולקולה כזו הוא אפס. לעומת זאת, על מולקולה הנמצאת על פני המשטח המפריד בין הנוזל לבין תווך אחר, כמו אוויר למשל, פועלים כוחות המשיכה רק כלפי מולקולות הנוזל ולכן שקול הכוחות הפועלים עליה יהיה כלפי פנים הנוזל (ראו איור).

כתוצאה מכך מתנהגת השכבה החיצונית של הנוזל כמו קרום מתוח, בדומה להתנהגות של בלון מלא, הנוטה לצמצם את שטח הפנים שלו. שינוי במתח הפנים, בדומה לניפוח או התכווצות של בלון, משנה את האנרגיה האלסטית של פני הנוזל.

אפשר אם כן להגדיר את מתח הפנים על ידי תוספת האנרגיה (בג'אולים) הדרושה כדי להגדיל את שטח פני הנוזל ביחידה אחת (מטר רבוע).

תוצאת ההתנגשות בין טיפת נוזל הנופלת ופוגעת במשטח של נוזל תלויה במהירות הפגיעה ובמאפייני מתח הפנים של הטיפה ושל הנוזל. ההתנגשות של טיפת נוזל עם משטח של נוזל יכולה להסתיים בכך שהטיפה תצוף על פני הנוזל, תקפץ מפני הנוזל, תיטמע בפני הנוזל או תתנפץ על פניו.