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橢球形的小水滴為什么會(huì)變成球形?

來源:知乎 瀏覽 1086 次 發(fā)布時(shí)間:2021-07-23

在無任何其他外力(包括重力)的情況下,橢球形的小水滴最終會(huì)變成球形,根本原因是什么?

我一共搜索到如下三種解釋:


解釋一:由于表面張力。表面張力的產(chǎn)生原因:由于水滴表面與空氣接觸,所以表面水分子比內(nèi)部水分子稀,分子間距離增加導(dǎo)致分子間引力起主要作用,這使得整個(gè)水滴表面的水分子繃得很緊,這個(gè)平行于表面的力就是表面張力。


解釋二:由于表面張力。表面張力的產(chǎn)生原因:“每個(gè)內(nèi)部的水分子在各個(gè)方向上都受到周圍水分子的拉力,所以合力為0。然而,表面的水分子不是每個(gè)方向上都有相鄰的分子來提供一個(gè)平衡的合力,取而代之的是它們被周圍的分子拉向水滴的內(nèi)部”

解釋三:因?yàn)橐后w表面的分子的能量要比內(nèi)部分子高,系統(tǒng)會(huì)自發(fā)的將表面能降低到最小,球的表面積最小,所以會(huì)變成球形。


這三種解釋,都不能解決我的疑惑。我把我的疑惑再用更具體的方式表述出來:

如下圖,為什么水分子A會(huì)向中心運(yùn)動(dòng),而水分子B卻遠(yuǎn)離中心?


針對(duì)解釋一,我的想法是:


按這個(gè)意思,如果我有辦法將一個(gè)橢球形的水滴表面水分子變得不稀疏,表面張力就沒有了?橢球形的水滴就不會(huì)變成球形了?!我猜不是,所以我暫時(shí)認(rèn)為解釋一是錯(cuò)的。


針對(duì)解釋二,我的想法是:


在一個(gè)球形的水滴里,按照這個(gè)說法,外部水分子不斷地向內(nèi)運(yùn)動(dòng)?!


在一個(gè)球形的水滴里,無論表面或者內(nèi)部的水分子,難道不是各個(gè)方向既受引力又受斥力所以合力為0嗎?!所以我暫時(shí)覺得解釋二也是錯(cuò)的。


針對(duì)解釋三:


“系統(tǒng)自發(fā)的將表面能降低到最小”,意思是水分子A運(yùn)動(dòng)之前還得算一下整個(gè)系統(tǒng)的能量?!看看是多大!要不是最小,就運(yùn)動(dòng),要是最小就老實(shí)呆著!?解釋三沒有解答我的疑惑。


針對(duì)我這個(gè)更具體的問題,我自己是猜測(cè)如下:


為了使我的想法容易被理解,我用下面的示意圖來闡述。

有兩根相通的管子,里面有8個(gè)水分子。


不考慮分子振動(dòng),由于位置對(duì)稱,每個(gè)分子受到的合力為0,所以這8個(gè)分子靜止。


此時(shí),將水分子E突然拿走,那么B受到合力向上。

(B受到合力向上的原因:


對(duì)最開始E分子做受力分析,E受到其他所有分子的引力和斥力,合力為0,即

分子A、G、H、C、D和F對(duì)E的引力大于斥力,所以B對(duì)E的斥力大于引力,所以E對(duì)B的合力是一個(gè)對(duì)B向下的“壓力”,所以將E拿走后B受到的合力向上)


所以B向上運(yùn)動(dòng)。


只要B向上運(yùn)動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn),G受到的合力就向右,G向右運(yùn)動(dòng),最后同理A也向右運(yùn)動(dòng)。


所以我猜橢球形的水滴變成球形也是這個(gè)道理。


我的第一個(gè)問題是,以上我的理解有哪些錯(cuò)誤的地方?當(dāng)然,我根本的目的是想從本質(zhì)上了解為什么橢球形的水滴會(huì)變成球形,不給我挑錯(cuò)直接解答我的疑惑也可以。如果有相關(guān)方面的經(jīng)典參考文獻(xiàn),也請(qǐng)幫忙推薦一下。


第二個(gè)問題是,使水分子連接在一起的力是氫鍵,那么使橢球形的水滴最終變成球形的力是范德華力嗎?