Mengapakah Air Boleh Naik Melalui Penyedut Minuman?

Apabila kita minum menggunakan penyedut, air bergerak dari dalam gelas menuju ke mulut walaupun laluan itu menghala ke atas. Kita mungkin menganggap bahawa mulut menarik air ke atas. Namun, penjelasan fizik yang lebih tepat melibatkan tekanan udara di dalam penyedut dan tekanan atmosfera yang bertindak pada permukaan air di dalam gelas.

Perbezaan antara kedua-dua tekanan inilah yang membolehkan air bergerak melawan arah graviti.

Udara mempunyai tekanan

Walaupun udara tidak dapat dilihat, udara mempunyai jisim dan boleh mengenakan daya pada sesuatu permukaan. Tekanan ditakrifkan sebagai daya yang bertindak secara serenjang pada setiap unit luas permukaan, dan udara dalam atmosfera Bumi menghasilkan tekanan yang dikenali sebagai tekanan atmosfera. Pada aras laut, tekanan atmosfera piawai ialah 101,325 pascal (Pa), bersamaan kira-kira 101 kilopascal (kPa). Tekanan ini bertindak pada permukaan air di dalam gelas, permukaan badan kita dan pelbagai objek di sekeliling. Kita biasanya tidak menyedarinya kerana tekanan turut bertindak dari pelbagai arah, manakala tekanan di dalam badan membantu mengimbangi tekanan luar.

Apakah yang berlaku sebelum kita menyedut?

Bayangkan sebatang penyedut diletakkan di dalam gelas berisi air, dengan bahagian atasnya masih terbuka kepada udara. Dalam keadaan ini, tekanan atmosfera bertindak pada permukaan air di luar penyedut dan juga pada permukaan air di dalamnya. Jika penyedut cukup lebar sehingga kesan kapilari boleh diabaikan, paras air di dalam dan di luar penyedut berada pada ketinggian yang hampir sama. Air tidak naik dengan sendirinya sehingga ke mulut kerana belum wujud perbezaan tekanan yang mencukupi untuk menyokong lajur air yang lebih tinggi di dalam penyedut.

Apakah yang berlaku apabila kita menyedut?

Apabila bibir menutup rapat hujung penyedut dan kita mula menyedut, tekanan udara di dalam mulut dan bahagian atas penyedut berkurang. Tekanan atmosfera di luar penyedut pula masih bertindak pada permukaan air di dalam gelas. Kini, tekanan pada permukaan air di luar penyedut lebih tinggi daripada tekanan pada bahagian atas lajur air di dalam penyedut, dan perbezaan tekanan ini menghasilkan daya paduan yang menyebabkan air bergerak naik melalui penyedut. Air akan terus bergerak ke atas jika perbezaan tekanan mencukupi untuk mengatasi kesan graviti dan rintangan aliran.

Dengan kata lain, mulut kita mewujudkan keadaan tekanan rendah, manakala perbezaan tekanan menyebabkan air bergerak.

Mengapakah air tidak boleh naik tanpa had?

Apabila air naik melalui penyedut, lajur air di dalamnya menjadi semakin tinggi, dan semakin tinggi lajur itu, semakin besar perbezaan tekanan yang diperlukan untuk menyokong beratnya. Dalam keadaan air pegun, hubungan ini boleh ditulis sebagai ΔP = ρgh, dengan ΔP ialah perbezaan tekanan antara permukaan air di luar dengan bahagian atas lajur air, ρ ialah ketumpatan air, g ialah pecutan graviti dan h ialah perbezaan ketinggian permukaan air.

Pada aras laut, tekanan atmosfera piawai secara teori boleh menyokong lajur air setinggi kira-kira 10.3 meter jika tekanan mutlak di bahagian atas lajur menghampiri sifar. Namun, angka itu ialah had bagi model ideal yang mengabaikan beberapa faktor, termasuk tekanan wap air dan kehilangan tekanan akibat aliran. Dalam keadaan sebenar, keupayaan seseorang menghasilkan tekanan rendah di dalam mulut juga terhad, jadi kita tidak boleh menggunakan penyedut yang terlalu panjang untuk menaikkan air sesuka hati.

Mengapakah penyedut yang bocor sukar digunakan?

Jika terdapat lubang pada bahagian penyedut yang berada di atas permukaan air, udara luar boleh masuk ketika kita cuba menyedut. Kemasukan udara ini menyukarkan pembentukan tekanan rendah yang diperlukan, jadi air mungkin naik dengan lebih perlahan, bercampur dengan udara atau langsung tidak sampai ke mulut. Kesan tersebut bergantung pada saiz kebocoran, kedudukan lubang dan kekuatan sedutan. Fenomena ini menunjukkan bahawa keberkesanan penyedut bukan hanya bergantung pada bentuk tiub, tetapi juga pada keupayaan mengekalkan perbezaan tekanan antara kedua-dua hujung laluan cecair.