ทำไมหยดน้ำจึงมีรูปร่างและมีรูปร่างอย่างไร?

คุณคงเคยจ้องมองสายฝนอย่างงงงวยและประหลาดใจกับการที่เม็ดฝนตกลงมา หยดที่มักจะมีลักษณะเป็นวงกลมหรือวงรีและในคนคุณจะเห็นว่ามันตกลงมาราวกับเป็นเข็ม ความลึกลับอะไรอยู่เบื้องหลังการก่อตัวของหยดน้ำ? สิ่งที่ซ่อนอยู่ใต้พื้นผิวของหยดน้ำเล็ก ๆ และทำไมหยดน้ำจึงก่อตัวขึ้น?

หากคุณต้องการถอดรหัสปริศนาและความสงสัยเหล่านี้ โปรดอ่านต่อ 

หยดน้ำ

น้ำเป็นธาตุที่มีอยู่มากที่สุดบนพื้นผิวโลก สิ่งมีชีวิตอย่างที่เรารู้จักสามารถดำรงอยู่ได้ด้วยน้ำ หากไม่มีน้ำก็คงไม่มีแม่น้ำ ทะเลสาบ ทะเล หรือมหาสมุทร ยิ่งไปกว่านั้น ตัวเราเองก็ไม่สามารถมีชีวิตอยู่ได้เพราะร่างกายของเราประกอบด้วยน้ำประมาณ 70%

น้ำสามารถพบได้ในสามสถานะ ได้แก่ ของแข็ง (เช่น น้ำแข็ง) ของเหลว (เช่น น้ำ) และก๊าซ (เช่น ไอน้ำ) การเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน เมื่อความร้อนถูกส่งไปยังน้ำแข็ง พลังงานความร้อนจะเพิ่มการสั่นสะเทือนของโมเลกุลน้ำภายใน และทำให้น้ำแข็งเริ่มละลาย หากความร้อนนี้ยังคงดำเนินต่อไป อนุภาคของน้ำจะแยกออกจากกันมากจนกลายเป็นก๊าซ ไอน้ำก็คือหยดน้ำเล็กๆ นั่นเองแต่…

ทำไมหยดน้ำจึงเกิดขึ้น?

เมื่อเราชี้ไปที่โมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นน้ำ เราจะนึกภาพพวกมันเป็นทรงกลม เหมือนลูกบอลที่ยึดติดกันด้วยการสั่นและการหมุน ถ้าเป็นเช่นนั้น ทำไมน้ำจึงไม่แผ่ขยายออกไปจนมีความหนาเท่ากับโมเลกุลเดียวเมื่อหก? นี่เป็นเพราะสิ่งที่เรียกว่าแรงตึงผิวด้วยแรงตึงผิวระหว่างโมเลกุล เราจึงสามารถลอยเข็มไว้บนผิวน้ำได้ หรือแมลงน้ำสามารถเดินบนน้ำได้

เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้คุณต้องรู้ว่าเกิดอะไรขึ้นภายในของเหลว น้ำประกอบด้วยโมเลกุลและสิ่งเหล่านี้เป็นอะตอม แต่ละอะตอมมีประจุบวก (โปรตอน) และประจุลบ (อิเล็กตรอน) และมีรูปแบบหนึ่งหรือรูปแบบอื่นขึ้นอยู่กับชนิดของโมเลกุลที่ก่อตัวขึ้น บางครั้งเปลือกอิเล็กตรอนจะดึงดูดกันและกันมากขึ้นและบางครั้งโปรตอนและอิเล็กตรอน ดังนั้นเราจึงรู้ว่ามีแรงดึงดูดและแรงผลักดัน

เมื่อเราสังเกตโมเลกุลภายในของเหลว เราจะเห็นว่ามันถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลอื่นๆ อย่างสมบูรณ์ และแรงระหว่างโมเลกุลทั้งหมดจะหักล้างกันเอง หากโมเลกุลหนึ่งดึงไปทางซ้าย อีกโมเลกุลหนึ่งจะดึงไปทางขวาด้วยความแรงเท่ากัน ดังนั้นจึงหักล้างกัน ทำให้โมเลกุลมีพลังงานน้อยลงและมีความเสถียรมากขึ้นสภาวะที่ต้องการพลังงานน้อยที่สุดในการรักษาสภาพจึงเป็นสภาวะที่ต้องการเสมอ สิ่งที่ร้อนจะเย็นลง สิ่งที่สูงจะลดลง และอื่นๆ

เมื่อเราพิจารณาโมเลกุลในชั้นผิวน้ำ เรื่องราวจะซับซ้อนขึ้น โมเลกุลเหล่านี้ไม่ได้ถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลอื่นอย่างสมบูรณ์ พวกมันได้รับแรงจากด้านเดียวเท่านั้น ไม่ใช่จากอีกด้านหนึ่ง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ โมเลกุลจึงจัดเรียงตัวใหม่ พยายามหาโครงสร้างที่ลดพื้นที่ผิวที่พวกมันครอบครองให้น้อยที่สุด สำหรับปริมาตรที่กำหนดรูปทรงเรขาคณิตที่มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุดคือทรงกลม

ด้วยเหตุผลทั้งหมดนี้ เมื่อเทน้ำลงไป หยดน้ำจะก่อตัวขึ้นและมีรูปร่างกลมหรือทรงกลม นี่คือเหตุผลที่วัตถุที่มีมวลน้อยและมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ (เช่น แมลงจ้ำน้ำ) สามารถลอยได้ เนื่องจากผิวน้ำมักจะไม่แตกออกเพื่อให้วัตถุแปลกปลอมเข้าไปได้หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของน้ำ คุณสามารถดูในส่วนเกี่ยวกับไอน้ำหรืออ่านต่อเกี่ยวกับรูปร่างของหยดน้ำฝนได้

แรงตึงผิวในน้ำสูงกว่าของเหลวอื่น ๆ เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลเป็นเชิงมุมและทำให้เกิดแรงมากขึ้น

ทำไมเม็ดฝนถึงมีรูปร่างเหมือนหยดน้ำตา?

เมื่อถึงสาเหตุที่หยดน้ำเกิดขึ้นแล้วก็ถึงเวลาอธิบายว่าทำไมหยดเหล่านี้จึงมีรูปร่างเหมือนหยดน้ำเมื่อตกลงมาจากท้องฟ้าในช่วงฝนตก

โดยทั่วไปแล้ว เรามักวาดภาพหยดน้ำฝนเป็นรูปทรงหยดน้ำตา อย่างไรก็ตาม หากหยดน้ำฝนไม่ตกลงบนหน้าต่าง มันก็จะไม่เป็นรูปทรงหยดน้ำตา หยดน้ำฝนขนาดเล็กมีรัศมีน้อยกว่าหนึ่งมิลลิเมตรและมีรูปร่างทรงกลมส่วนหยดน้ำฝนขนาดใหญ่จะมีรูปร่างคล้ายขนมปังแฮมเบอร์เกอร์เมื่อรัศมีเกิน 4,5 มิลลิเมตร เมื่อเป็นเช่นนั้น หยดน้ำฝนจะบิดเบี้ยวกลายเป็นรูปทรงคล้ายร่มชูชีพที่มีท่อน้ำอยู่รอบฐาน แล้วจึงกระจายตัวออกเป็นหยดน้ำขนาดเล็กกว่า

การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของหยดน้ำเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของแรงสองแรงที่กระทำพร้อมกัน แรงแรกคือแรงตึงผิวที่กล่าวถึงไปแล้ว และแรงที่สองคือแรงดันอากาศซึ่งดันฐานของหยดน้ำขึ้นด้านบนขณะที่มันตกลงมา เมื่อหยดน้ำมีขนาดเล็ก แรงตึงผิวจะออกแรงมากกว่าแรงดันอากาศ ดังนั้นหยดน้ำจึงมีรูปร่างทรงกลม เมื่อขนาดของหยดน้ำเพิ่มขึ้น ความเร็วในการตกลงมาก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน รวมถึงแรงดันอากาศที่กระทำต่อหยดน้ำด้วย ทำให้หยดน้ำแบนลงและเกิดรอยบุ๋มขึ้นภายใน

เมื่อรัศมีของหยดน้ำมีขนาดเกิน 4 มิลลิเมตร รอยบุ๋มตรงกลางหยดน้ำจะขยายตัวขึ้นจนเกิดเป็นโพรงที่มีวงแหวนน้ำอยู่ด้านบนและจากหยดน้ำขนาดใหญ่นี้จะเกิดหยดน้ำขนาดเล็กหลายหยดขึ้นมา

ด้วยข้อมูลนี้คุณจะสามารถทราบข้อมูลเพิ่มเติมเล็กน้อยเกี่ยวกับหยดน้ำและเหตุใดจึงมีรูปร่างเช่นนั้นเมื่ออยู่ในสถานที่ต่างๆ ตอนนี้คุณสามารถมองผ่านหน้าต่างด้วยความรู้ที่มากขึ้นเกี่ยวกับองค์ประกอบที่ทำให้เรามีชีวิต