Woda w wąskiej rurce unosi się sama — bez pompy, bez tłoka, wbrew grawitacji. Im węższa rurka, tym wyżej wchodzi. To kapilarność: jeden z fundamentalnych mechanizmów, które umożliwiają życie roślin, transport substancji w glebie i wchłanianie wody przez papier, tkaninę i ręcznik kuchenny.

Co nam będzie potrzebne?

  • kilka szklanych rurek o różnych średnicach (mogą być rurki szklane od termometrów, słomki plastikowe, a nawet makaron capellini — im cieńszy, tym lepiej widać efekt)
  • barwnik spożywczy w intensywnym kolorze (np. ciemnoniebieski lub czerwony)
  • miska lub płaska miska z wodą
  • bibuła filtracyjna lub papierowe filtry do kawy
  • łodyga selera naciowego (opcjonalnie)
  • linijka do mierzenia wysokości wzniesienia

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Woda barwiona. Zabarwij wodę w misce kilkoma kroplami barwnika — kolor powinien być intensywny. To pozwoli wyraźnie zobaczyć, jak wysoko wznosi się woda.

Krok 2: Rurki różnych średnic. Zanurz rurki pionowo w barwionej wodzie — zanurz tylko dolny centymetr. Obserwuj przez minutę: woda w każdej rurce wspina się do innej wysokości. W najwęższych wchodzi najwyżej. Zmierz linijką wysokość słupa wody w każdej rurce ponad poziomem wody w misce. Zapisz wyniki.

Krok 3: Bibuła — kapilary płaskie. Zanurz wąski pasek bibuły filtracyjnej lub filtru kawowego pionowo w barwionej wodzie — tylko dolnym centymetrem. Obserwuj, jak front barwnika wspina się po bibule. Bibuła to sieć tysięcy mikroskopijnych kapilar — woda wchodzi jednocześnie we wszystkie.

Krok 4: Seler naciowy. Wstaw łodygę selera do szklanki z barwioną wodą. Odczekaj 30–60 minut. Przekrój łodygę poziomo w kilku miejscach: zobaczysz wyraźne zabarwione kropki — to przekroje naczyń ksylemu, przez które woda kapilarna wspina się od korzeni do liści. To dosłowna kapilarność biologiczna w żywej roślinie.

Wyjaśnienie naukowe

Kapilarność bierze się z walki między dwoma siłami: adhezją i kohezją.

Kohezja to wzajemne przyciąganie cząsteczek wody do siebie. Cząsteczki wody są dipolami elektrycznymi — mają ładunek ujemny po stronie tlenu i ładunki dodatnie po stronie wodoru — i silnie przyciągają sąsiednie cząsteczki wody przez wiązania wodorowe. To dlatego woda tworzy krople zamiast rozpryskiwać się jak pył.

Adhezja to przyciąganie cząsteczek wody do ścianek rurki (szkło, celuloza bibułki, ksylem). Szkło i celuloza mają na powierzchni grupy hydroksylowe (–OH), do których cząsteczki wody chętnie się przyczepiają. Ta adhezja “ciągnie” wodę ku ściankom.

W wąskiej rurce adhezja unosi warstwę wody przylegającą do ścianek. Cohezja łączy tę warstwę z resztą słupa wody — i cały słup jest ciągnięty w górę. Równowagę osiąga się, gdy ciężar słupa wody (siła grawitacji) dokładnie zrównoważy adhezję do ścianek. Wynika z tego matematyczna zależność: im węższa rurka (mniejszy promień r), tym wyżej wznosi się woda — wysokość h jest proporcjonalna do 1/r (równanie Jurina). Przy promieniu 0,1 mm woda wznosi się ok. 15 cm. Przy promieniu 0,01 mm — ponad metr.

Menisk (wklęsłe zagięcie powierzchni wody w rurce) to wizualny dowód, że adhezja do szkła jest silniejsza niż kohezja wody — ścianki “ciągną” wodę ku górze, tworząc charakterystyczną miseczkę. Dla rtęci (która ma słabą adhezję do szkła i silną kohezję) menisk jest wypukły — rtęć odpycha się od szkła.

To ten sam mechanizm, który transportuje wodę w roślinach od korzeni do koron drzew. W selerze, który widziałeś w kroku 4, rurki ksylemu mają średnicę 20–400 μm — wystarczającą, żeby kapilarność pomagała w transporcie wody. Ale w 100-metrowych sekwojach sama kapilarność nie wystarczy — tutaj kapilarność współpracuje z transpiracyjnym ciągiem (parowanie z liści tworzy podciśnienie, które “ssie” wodę z dołu) i ciśnieniem osmotycznym korzeni. Kapilarność odpowiada za kilkadziesiąt centymetrów, a cały drzewo potrzebuje dziesiątek metrów — reszta pochodzi z transpiracji. Więcej o transporcie w barwieniu kwiatów — tam ksylem jest głównym bohaterem.

Kapilarność działa też w glebie: woda w kapilarach gruntowych unosi się z poziomu wód gruntowych ku korzeniom roślin, nawet bez deszczu. W skałach wapiennych woda kapilarna nasycona CO₂ wspina się szczelinami i kroplami zwisa ze stropu jaskini — gdzie woda odparowuje, wytrącając CaCO₃, i przez tysiące lat rośnie stalaktyt .

Warianty

Wyścig kapilar. Postaw jednocześnie w barwionej wodzie rurkę szklaną 1 mm, rurkę 3 mm i słomkę 5 mm. Zmierz stoperem, po ilu sekundach woda osiąga 3 cm w każdej. Węższa rurka — szybciej czy wolniej dochodzi do 3 cm? (Uwaga: w węższej woda wchodzi wyżej, ale niekoniecznie szybciej — prędkość przepływu też zależy od oporu.)

Kapilary papierowe. Zrób kwiat z papieru — wytnij kilka płatków z bibuły, złóż w kształt kwiatu. Połóż na powierzchni wody w misce. Bibułowe płatki wchłoną wodę kapilary i rozłożą się na boki — kwiat “rozkwitnie”. To ta sama kapilarność, tylko pozioma.

Kolorowe pędy. Postaw białą roślinę (biały goździk, biały seler) jednocześnie w dwóch szklankach z różnymi barwnikami — po przekrojeniu łodygi i umieszczeniu połówki w każdej szklance. Po dobie roślina będzie miała w każdej połowie inny kolor — i wyraźnie widać ksylem jako kolorowe kropki w przekroju. To wersja barwienia kwiatów pokazująca strukturę naczyń.

Pomiar vs. teoria. Zmierz średnicę wewnętrzną kilku rurek (linijką lub suwmiarką). Oblicz teoretyczną wysokość wzniesienia ze wzoru h = 2γcosθ / (ρgr), gdzie γ = 0,0728 N/m (napięcie powierzchniowe wody), ρ = 1000 kg/m³, g = 9,81 m/s², r = promień, cosθ ≈ 1 dla szkła. Porównaj z wynikami pomiarów — czy zgadzają się?

Często zadawane pytania

Dlaczego w szerszej rurce woda wchodzi niżej? W szerszej rurce te same siły adhezji działają na ściankach, ale muszą utrzymać ciężar proporcjonalny do r² (objętość słupa wody rośnie z kwadratem promienia), podczas gdy siła adhezji rośnie tylko z r (obwód rurki). Stosunek siły do ciężaru jest więc odwrotnie proporcjonalny do r — stąd wyższa woda w wąższych rurkach.

Czy kapilarność działa w kosmosie? Tak — i jest znacznie ważniejsza. W nieważkości brak jest grawitacji, która ciągnie słup wody w dół, więc woda wchodzi do rurki i… nie zatrzymuje się, dopóki jest rurka. Kapilarność w warunkach mikrograwitacji jest badana jako mechanizm transportu cieczy w zbiornikach statków kosmicznych i w systemach nawadniania roślin na ISS.

Dlaczego ręcznik kuchenny wchłania wodę, a folia plastikowa nie? Ręcznik jest zbudowany z włókien celulozowych, które tworzą gęstą sieć kapilarną i mają silną adhezję do wody (hydrofilowe). Folia plastikowa jest hydrofobowa — cząsteczki polietylenu nie mają grup polarnych, adhezja do wody jest bardzo słaba i woda nie wchodzi w kapilary. Rozmaczanie hydrofobowej powierzchni detergentem (który obniża napięcie powierzchniowe wody i zwiększa adhezję) zmienia sytuację — stąd zmywacz do naczyń sprawia, że woda “rozkłada się” po tłustej powierzchni zamiast tworzyć krople.