Le forze di adesione sono definite come le forze di attrazione che si verificano tra molecole di sostanze diverse contrariamente alle forze di coesione definite come le forze di attrazione che si verificano tra molecole della stessa sostanza.
Le forze di adesione di una superficie a un liquido dipendono dalla bagnabilità della superficie, dal volume della goccia di liquido e dalla tensione superficiale del liquido. Le forze di adesione tra materiali sono intimamente correlate alle interazioni interatomiche e intermolecolari all’interfaccia delle due superfici considerate.
Le principali forze responsabili dell’adesione vanno dai legami covalenti forti alle deboli forze di van der Waals dovute all’interazione dipolo-dipolo, dipolo-dipolo indotto, dipolo istantaneo-dipolo indotto dette anche forze di dispersione, ma possono essere presenti anche altri tipi di legame come, ad esempio, il legame a idrogeno. Le forze di adesione sono dovute anche a forze meccaniche e forze di natura elettrostatica.
Forze di adesione e forze di coesione
Nella gran parte dei casi le forze di adesione e le forze di coesione coesistono e agiscono di concerto esplicando le loro caratteristiche in moltissimi fenomeni della vita quotidiana. Hanno, ad esempio, un ruolo indispensabile nella gestione dei nutrienti nel suolo dove è fondamentale un corretto equilibrio tra l’acqua e l’aria del suolo poiché sia l’acqua che l’aria sono necessarie per la maggior parte dei processi che rilasciano nutrienti.
Oltre a sostenere tutta la vita sulla Terra, l’acqua del suolo fornisce una riserva di nutrienti disciolti che sono prontamente disponibili per l’assorbimento da parte delle piante. La capillarità è la forza primaria che permette al suolo di trattenere l’acqua, oltre che di regolarne il movimento.
Essa è dovuta alle forze di coesione a causa delle quali, le molecole d’acqua sono attratte l’una dall’altra e formano goccioline d’acqua e alle forze di adesione responsabili dell’attrazione tra l’acqua e le superfici solide. Il fenomeno della capillarità che si verifica anche nel terreno in cui l’acqua si muove verso l’alto attraverso i pori del suolo o gli spazi tra le particelle del suolo.
I terreni a tessitura fine in genere hanno pori più piccoli rispetto a quelli a tessitura grossolana. Pertanto, i terreni a tessitura fine hanno una maggiore capacità di trattenere l’acqua nel suolo negli spazi interparticellari come avviene, ad esempio nei minerali argillosi.
La risalita capillare è l’altezza alla quale l’acqua sale all’interno del tubo può essere calcolata dalla legge di Jurin che prende il nome da James Jurin, che la scoprì tra il 1718 e il 1719.
Nella formula γ è la tensione superficiale misurata in N/m, θ è l’angolo, detto angolo di contatto, espresso in gradi tra il liquido e la parete del tubo, ρ è la densità espressa in kg/m3, g è l’accelerazione di gravità e r è il raggio del tubo.
Menisco e forze di adesione
Come risultato della capillarità, si forma un menisco concavo o convesso dove il liquido è a contatto con una superficie.
Il menisco è causato sia dalle forze di adesione che da quelle di coesione. I bordi del liquido che sono a contatto con la parete di un contenitore sono trattenuti ad un livello superiore con l’ausilio di forze di adesione. Il centro del liquido è curvo a causa della forza di attrazione o della coesione tra le molecole del liquido.
Quando le forze di coesione tra le molecole del liquido sono maggiori delle forze di adesione tra il liquido e le pareti del contenitore, la superficie del liquido è convessa come avviene per il mercurio in cui la parte centrale del liquido è più alta di quella a contatto col contenitore.
Quando la forza di adesione del liquido con il contenitore è maggiore alla forza di coesione si ha un menisco concavo in cui la parte centrale del liquido è più bassa rispetto a quella a contatto con il contenitore come avviene, ad esempio con l’acqua.
Quando le forze di adesione e quelle di coesione sono uguali, la superficie è orizzontale come avviene, ad esempio nel caso dell’acqua distillata all’interno di un contenitore di argento.
I gechi e le forze di adesione
I gechi sono piccoli rettili che si arrampicano su superfici piane come muri e tetti, vivono prevalentemente sugli alberi, corrono lungo i soffitti e si appendono a testa in giù su superfici con uno scarso coefficiente di attrito.
Il segreto dell’adesione di questa risulta essere dovuta alle forze intermolecolari relativamente deboli che si generano tra la superficie e le zampe. L’area di appoggio di due zampe è di circa 22 mm², ed esse sono ricoperte da circa 3 milioni peli curvi detti seta e costituiti da beta-cheratina e alfa -cheratina che producono una forza di adesione dovute a forze di interazione deboli superficiali.
I valori delle forze di adesione supportano l’ipotesi che i singoli peli curvi operino con le forze di van der Waals. Per ogni pelo curvo si sviluppa una forza attrattiva di circa 0,4 µN e, sebbene sia un valore apparentemente insignificante, la forza combinata dei milioni di peli curvi produce una forza di adesione di circa 10 N.