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. Ta sama kohezja odpowiada za napięcie powierzchniowe, które umożliwia istnienie filmów mydlanych w bańkach mydlanych — cząsteczki powierzchni są silnie przyciągane do wnętrza i minimalizują powierzchnię błony.

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.