神奇的液體表面張力

蔣少異

以前在物理課上有過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：往一只倒?jié)M水的玻璃杯中放回形針，在水溢出前到底能放多少個(gè)呢？一開(kāi)始我們猜二三十個(gè)，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意料——在一個(gè)容積約為320 ml，的普通玻璃杯中放了218個(gè)回形針后水才溢出！類似的例子還有很多，比如在一枚看似水加到飽和的硬幣上還能滴二十來(lái)滴水；蚊子無(wú)師白通“輕功水上漂”；荷葉上可以聚集晶瑩的露珠；肥皂泡能保持原樣隨風(fēng)飄遠(yuǎn)……其實(shí)這些現(xiàn)象都?xì)w功于液體表面張力，一股可以用數(shù)學(xué)深入分析的神奇力量。

表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力，簡(jiǎn)而言之是使液體表面收縮的力.因外部氣相分子對(duì)它的吸引力小于內(nèi)部液相分子對(duì)它的吸引力，所以該分子所受合力不為零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果使液體表面有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)，這種收縮力稱為表面張力。這一微小力量的大小，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)借助函數(shù)關(guān)系式來(lái)表示。

我們用個(gè)簡(jiǎn)單易行的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)液體表面張力大小——毛細(xì)管上升法，我們將一支毛細(xì)管插入液體中，液體將沿毛細(xì)管上升，升到一定高度后，液體處于平衡狀態(tài)。此時(shí)，液面對(duì)液體所施加的向上的拉力等于液體向下的力.以γ表示表面張力，ρ為液體密度，h為毛細(xì)管中液面上升的高度，γ為毛細(xì)管半徑，g為重力加速度，θ為液體與管壁的接觸角，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：

值得一提的是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要注意接觸角θ的大?。蝗籀?lt;90°，則固體表面是親水性的，液體較易潤(rùn)濕固體，其角越小，表示潤(rùn)濕性越好；若θ>90°，則固體表面是疏水性的，液體不容易潤(rùn)濕固體，容易在表面上移動(dòng)，至于液體是否能進(jìn)入毛細(xì)管，與具體液體有關(guān)，并非所有液體在較大夾角下完全不進(jìn)入毛細(xì)管。

除此之外，還有許多測(cè)液體表面張力的方法，比如滴體積法.當(dāng)水由毛細(xì)滴管滴出時(shí)，液滴重力（mg）與液滴表面張力（γ）、滴管口半徑（γ）有關(guān).曾有學(xué)者Tate提出簡(jiǎn)單關(guān)系式mg=2πr·γ，因與實(shí)際情況不符而被否定.后來(lái)Harkins進(jìn)行改進(jìn)引入校正因子（f）和液滴體積（v），得到公式：

在實(shí)際生活中，液體表面張力也有廣泛的應(yīng)用，比如電潤(rùn)濕技術(shù)，不沾鍋、汽車外殼、建筑外墻的自潔功效等.美國(guó)科學(xué)家最新研究出一種微型照相機(jī)，它的制造原理很簡(jiǎn)單，這種圖像捕捉技術(shù)是基于水滴、聲音和水的表面張力。該照相機(jī)更加智能化，而且重量更輕，可應(yīng)用于手機(jī)、汽車、自動(dòng)化機(jī)器人上。

最后，我們?cè)僖砸粋€(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)“細(xì)網(wǎng)托水”結(jié)束話題.先將一小張細(xì)網(wǎng)蒙在一只廣口透明塑料瓶口，再倒入任意量的水，接著用一塊玻璃片蓋住瓶口，將瓶口朝下。這時(shí)，把玻璃片輕輕移開(kāi)，只要瓶子豎直向下，一滴水也不會(huì)流出來(lái)！細(xì)網(wǎng)能托起瓶中的水，是因?yàn)榇髿鈮簭?qiáng)作用于細(xì)網(wǎng)上，產(chǎn)生了向上的托力；小孔不會(huì)漏出水來(lái)，是因?yàn)樗斜砻鎻埩?，水在網(wǎng)的表面形成水的薄膜，使水不會(huì)漏出來(lái)。

（指導(dǎo)老師：王思儉）