為什么水滴是球體的形狀

金仲輝

讀者“飛揚(yáng)”問：“為什么水滴是球體的形狀，而不是其他的形狀呢？”要回答這個(gè)問題。要從液體的表面張力說起。

很多現(xiàn)象說明，液體的表面猶如張緊的彈性薄膜，它有收縮的趨勢(shì)，例如，我們小心地將一枚細(xì)小的鋼針橫放在水面上，鋼針不會(huì)下沉，僅僅將液面壓下，略顯彎形，既然液體表面像張緊的彈性薄膜，則表面內(nèi)一定存在著張力，我們可以用一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)來顯示液體表面有張力的現(xiàn)象。

圖1所示的是用金屬絲彎成的一個(gè)框架。它的右邊（AB）是可以滑動(dòng)的，現(xiàn)將框架浸入肥皂水中后拿出，可在框架內(nèi)形成肥皂水薄膜，肥皂水液面因存在表面張力而有收縮的趨勢(shì)，若要加大液體的表面積，必須對(duì)圖1中的AB邊施加一個(gè)向右的外力F.如果在施力的過程中，AR邊做勻速運(yùn)動(dòng)，說明在液體表面積擴(kuò)大的過程中，F(xiàn)與液面向左邊收縮的表面張力相平衡，這就是說，在擴(kuò)大液體表面的過程中，外力因克服液體表面張力而對(duì)液體表面做了功，根據(jù)能量守恒定律。外力所做的功就轉(zhuǎn)化成液體表面的能量（簡稱表面能）。

上述的實(shí)驗(yàn)不僅說明液體表面因存在表面張力而具有收縮的趨勢(shì)，而且說明液體表面具有一定的能量，不同液體的表面張力情況各異。我們常用表面張力系數(shù)來表示它們的不同，表面張力系數(shù)的一個(gè)定義是：在某溫度下的表面張力系數(shù)，在數(shù)值上等于增加單位液體表面積時(shí)所增加的表面能，純水的表面張力系數(shù)要比肥皂水的表面張力系數(shù)大，說明在增加同樣液體表面積的情況下，肥皂水所需的能量要比純水的小，由幾何知識(shí)可知，物體在一定體積條件下，在各種形體中，球體的表面積最小。這就是說一定體積的水，取球體形狀時(shí)表面積最小，由于表面能與表面積成正比，所以球體表面具有最小的表面能，在一般自然情況下，物體都處在最低的能量狀態(tài)，因此在一般情況下，水滴的形狀是球體的。

若將一定體積的水（如一杯水）都化成具有一定半徑的水珠，由于這些水珠的總表面積比一杯水的表面積增加了許多，水液面的表面能也就增加了許多，所以，將一杯水化成許許多多的水珠，外界是需要做一定功的，例如，家庭用的加溫器就是這種情況，相反，天空下雨，許許多多的雨滴落在湖里，均化成湖水，則許許多多的雨滴表面能都轉(zhuǎn)化成湖水的能量，此外，下落的雨滴具有一定的速度，即具有一定的動(dòng)能，如果雨滴的溫度和下雨前的湖水溫度是相同的，那么，從原理上講，下雨后的湖水溫度應(yīng)該稍稍有所提高。

責(zé)任編輯 蔡華杰