การวัดแรงตึงผิว (surface tension) โดยใช้สมาทโฟน

          แรงตึงผิว (surface tension) หมายถึงแรงที่เกิดขึ้นบนผิวของของเหลวเพื่อที่จะลดพื้นที่ผิว เกิดขึ้นจากการดึงดูดของโมเลกุลของของเหลว วัดเป็นแรงต่อหน่วยความยาวบนผิวของของเหลวนั้น มีหน่วยเป็นแรงต่อระยะทาง (N/m) หรือ ดายน์ต่อเซ็นติเมตร (dyne/cm)  เราอาจจะเคยพบเห็นแรงตึงผิวในชีวิตประจำวันเช่นคลิปหนีบกระดาษที่สามารถลอยอยู่บนผิวน้ำในแก้วได้ หรือเวลาเราเข้าป่าไปน้ำตก แอ่งน้ำ จะเจอจิงโจ้น้ำแมลงชนิดหนึ่งที่สามารถใช้ขาของมันเกาะเดินอยู่บนพื้นผิวน้ำได้โดยไม่จมลงไป แรงตึงผิวยังเป็นคุณสมบัติสำคัญที่ทำให้เกิดแรงยกตัว (capillarity) ที่เราเห็นในภายในหลอดแคปิลลารี่อีกด้วย จะเห็นว่าแรงตึงผิวนี้น่าสนใจมาก           Nicolas-Alexandre Goy และคณะได้ตีพิมพ์งานวิจัยเรื่อง “Surface tension measurements with a smartphone” ลงในวารสาร The Physics Teacher เมื่อวันที่ 16 ตุลาคม ค.ศ. 2017 ในปัจจุบันพบว่าในวิชาเรียนฟิสิกส์มีการนำสมาทโฟนมาประยุกต์ใช้ในการเรียนและการทดลองวิทยาศาสตร์เพิ่มขึ้นมากและงานวิจัยชิ้นนี้ก็เป็นอีกหัวข้อที่น่าสนใจที่นำสมาทโฟนมาใช้วัดแรงตึงผิว ซึ่งผู้วิจัยมีแนวคิดที่ชาญฉลาดในการวัดแรงตึงผิวของสารชนิดต่างๆ           โดยปรกติแล้วการวัดแรงตึงผิวโดยทั่วไปนั้นใช้ Wilhelmy plate ซึ่งเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างซับซ้อนและมีราคาอุปกรณ์ที่ค่อนข้างสูง ทำให้ผู้เรียนอาจจะขาดความเข้าใจอย่างแท้จริงเรื่องแรงตึงผิว Nicolas-Alexandre Goy และคณะได้แนะนำอีกหนึ่งวิธีการที่น่าสนใจและเรียบง่ายกว่า โดยอาศัยความรู้ที่ว่าเมื่อหยดของเหลวถูกแขวนไว้ที่ปลายด้านล่างของหลอด รูปทรงของหยดของเหลวนั้นถูกควบคุมโดยสมดุลของแรงตึงผิวของของเหลวจากหลอดและน้ำหนักของหยดของเหลว การนำสมาทโฟนมาใช้ทำการทดลองถ่ายภาพหยดของเหลวโดนหลังจากนั้นนำภาพมาวิเคราะห์หาค่าแรงตึงผิว ให้ความแม่นยำค่อนข้างสูงแม้ทดลองกับของเหลวหลายชนิดเช่น น้ำเปล่า น้ำมัน น้ำผสมผงซักฟอก โดยเมื่อหยดของเหลวถูกแขวนโดยปลายของหลอดรูปร่างของมันจะถูกควบคุมโดยสมการยัง-ลาปาซ (Young–Laplace equation) ที่ซึ่งน้ำหนักของหยดของเหลวและแรงตึงผิวมีความสมดุลกัน โดยเราสามารถประมาณแรงตึงผิวคร่าวๆโดยใช้สมการ
                                                                                                                 ฉะนั้นสุดท้ายแล้วเราก็จะสามารถหาค่าแรงตึงผิวได้โดยใช้สมาทโฟนถ่ายรูปและวัดค่าต่างๆและนำไปแทนค่าใน (2) และ (1) เราก็จะสามารถหาค่าแรงตึงผิวได้ดังตารางที่ 1 จากตารางจะพบว่าให้ค่าแรงตึงผิวที่มีความแม่นยำค่อนข้างสูงเมื่อเปรียบเทียบกับค่าแรงตึงผิวของสารชนิดต่างๆที่เรารู้อยู่แล้วจากค่าในตำราเรียน


          เพียงแค่นี้เราก็สามารถหาค่าแรงตึงผิวได้แล้วโดยใช้สมาทโฟน ในความเป็นจริงแล้วจะพบว่าไม่จำเป็นต้องใช้สมาทโฟนถ่ายรูปใช้อุปกรณ์กล้องชนิดอื่นๆแทนก็ได้ แต่เพราะในปัจจุบันค.ศ. 2020 ผู้คนส่วนใหญ่มีสมาทโฟนและกล้องในสมาทโฟนปัจจุบันก็พัฒนาไปมากสามารถถ่ายภาพได้คมชัดและจัดเก็บ ส่ง นำไฟล์รูปมาใช้ได้อย่างรวดเร็ว ข้อสังเกตคือในการวัดความยาวของค่าต่างๆอาจจะใช้ไม้บรรทัดวัดจากหน้าจอโดยตรงหรือเพื่อความแม่นยำเราอาจจะใช้โปแกรม ImageJ ก็ได้

   

อ้างอิง

• Goy, N. A., Denis, Z., Lavaud, M., Grolleau, A., Dufour, N., Deblais, A., & Delabre, U. (2017). Surface tension measurements with a smartphone. The Physics Teacher, 55(8), 498-499.
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/surten.html
• https://www.chem.purdue.edu/gchelp/liquids/tension.html