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失重環(huán)境下的水滴因?yàn)橛斜砻鎻埩?huì)形成標(biāo)準(zhǔn)的圓球

來源:科學(xué)信仰孫晨 瀏覽 789 次 發(fā)布時(shí)間:2022-11-11

晨起葉片上的露珠會(huì)形成溫潤的半球體,而失重環(huán)境下的水滴則會(huì)形成一個(gè)完美的圓球,這是為什么呢?


聽起來這個(gè)問題好像十分簡單,半球體的露珠是因?yàn)橹亓Φ淖饔?,而完美的球形水滴則是因?yàn)闆]有重力的影響,的確如此,但問題是,為什么有重力作用就一定形成半球,而失重環(huán)境下就一定形成圓球呢?它們?yōu)槭裁床荒苄纬扇切?、正方形,又或者是梯形呢?如果說這些形狀過于詭異,那么橢球體呢?失重環(huán)境下的水滴為什么不能形成橢球體,而非得是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓球呢?這一切都源于四個(gè)字,那就是“表面張力”。在生活中我們經(jīng)常會(huì)聽到表面張力這個(gè)詞,但對(duì)于表面張力到底是什么,可能就不那么清楚了。

要弄清楚表面張力到底是什么,首先就得先弄清楚什么是表面。


物理學(xué)上所講的“表面”與我們生活中所說的“表面”是有一定區(qū)別的。自日常生活中,任何物體的面我們都稱之為“表面”,這與該物體是處于何種環(huán)境之中并無關(guān)系,但物理學(xué)上所講的表面就有所不同了,物理學(xué)上所說的表面指的是“凝聚相”與氣體或真空之間的分界面。在自然界之中處于凝聚態(tài)的物質(zhì)有很多,而我們最為熟悉的凝聚態(tài)就是通常所說的液態(tài)和固態(tài),所以在這里我們也可以把凝聚相簡單地理解為固相和液相。以葉片上的露珠為例,它與空氣相接觸的面就是它的表面。


物理學(xué)上除了有“表面”的概念之外,還有“界面”的概念,所謂界面就是凝聚相與凝聚相之間的分界面。


可見,表面就是固體或液體與空氣或真空相接觸的面,而界面就是固體或液體與其它固體或液體相接觸的面。明確了表面與界面,接下來就該說說表面能與界面能了。物體的表面是具有能量的,為什么呢?讓我們想一想,在一個(gè)水滴的內(nèi)部,水分子是均勻分布的,每一個(gè)水分子都被其它水分子所包圍,但是在這個(gè)水滴的表面,情況就有所不同了,在水分子與空氣或真空接觸的地方,外面并沒有其它的水分子,也就是說在接觸面上幾乎沒有任何作用力。


表面之外沒有作用力,這使得表面的水分子變得更加活躍,于是就產(chǎn)生了能量,這股能量就被我們稱之為表面能。


表面能是從何而來的呢?是致使表面產(chǎn)生的力所賦予的。比如,我們要將一滴水分成兩滴水,就必須要給它一個(gè)力,比如彈它一下,彈完之后,水滴一分為二,表面積增加了,而我們彈的這股力就成為了新增表面的表面能。如果我們要將一根鐵棍一分為二,顯然要比將水一分為二花費(fèi)更大的力氣,所以鐵的表面能要遠(yuǎn)超水滴。表面有表面能,界面自然也有界面能,只不過對(duì)于界面而言,兩種物質(zhì)的差異越大,那么界面能也就越大。


弄懂了什么是表面能,接下來就要說說表面張力了。

現(xiàn)在先讓我們回到最開始的問題上來,為什么葉片上的露珠呈半球體,而失重環(huán)境下的水滴呈現(xiàn)出完美的球形?因?yàn)闊o論是半球體,還是球體,它們都是一種表面積最小的形狀,因?yàn)樵隗w積相同的情況下,球體的表面積是所有形狀中最小的。為什么要保證表面積最小?因?yàn)樵谧匀唤缰校械奈镔|(zhì)都要遵循“最小能量原理”,所謂最小能量原理指的就是物質(zhì)必須要以最小能量的狀態(tài)存在。很顯然,表面能與表面積是正相關(guān)的,表面積越大,表面能就越大,所以要遵循最小能量原理就必須要使表面積保持最小形態(tài),于是水滴就變成了個(gè)完美的球體。


水滴要變成一個(gè)完美的球體,而要想變成一個(gè)完美的球體就必須依靠一個(gè)作用在表面上的力,這個(gè)力就是“表面張力”。


力不會(huì)憑空產(chǎn)生,表面張力從何而來?當(dāng)然是從表面能而來,事實(shí)上,所謂的表面張力就是單位面積上的表面能,如果列成公式就是表面張力等于表面能除以面積??梢姡砻鎻埩εc表面積的大小無關(guān),也就是說無論大水滴,還是小水滴,它們的表面張力都是相同的,不同的只是表面能而已。弄明白了什么是表面張力,我們也就知道了困在水滴里的小螞蟻為什么爬不出來了,想要沖破水滴,就需要有比水滴表面張力更大的力氣,而小螞蟻的力氣顯然有些不夠。