跟著古人學(xué)表面張力和固液浸潤現(xiàn)象

李英+王海

摘 要：表面張力和浸潤現(xiàn)象，在古代對其的描述和應(yīng)用不在少數(shù)，但是系統(tǒng)搜集和整理的工作卻非常的少.浸潤和表面張力的創(chuàng)設(shè)問題的情景較少，同學(xué)們不能很好地遷移到生活中，不能做到物理來源于生活，研究成果應(yīng)用于生活. 本文跟隨著古人的腳步，描繪出一幅幅古代表面張力和浸潤的畫卷，希望能使同學(xué)們能身臨其境，感受表面張力和浸潤現(xiàn)象的神奇.

關(guān)鍵詞：表面張力；浸潤性；丟“巧”針，竹篾圈

作者簡介：李英（1990-），女，河南新鄉(xiāng)人，首都師范大學(xué)物理系研究生，碩士，主要從事材料物理與化學(xué)的工作.

通訊作者：王海（1974-），男，北京人，副教授，碩士生導(dǎo)師.

1 我國古代的浸潤現(xiàn)象

關(guān)于表面張力和固液間的浸潤性的發(fā)展在我國有著悠久的歷史，史料記載的最早可追溯到西漢年間.早在前179～前122年，淮南王劉安通過細(xì)致的比較和觀察，在其《淮南萬畢術(shù)》一書中記載 “取頭中垢，塞針孔，置水中，則浮”的現(xiàn)象.[1]所描述的是用頭上的污垢堵塞針孔，將針放入水中，針在水面上搖曳卻沒有沒入水底的神奇現(xiàn)象.針的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水，如果簡單的運(yùn)用中學(xué)所學(xué)的固體在液體中的浮沉條件，毫無疑問，針的重力大于水對針的浮力，針會沉入水底.但實際上卻觀察到相反的結(jié)果，什么原因?qū)е碌哪?？溶液的表面存在使液體表面拉緊的力，這個力叫做表面張力.而針上粘上油脂放入水中后，油脂更增加了水的表面張力，此時針在液體表面不僅有浮力，也有表面張力，達(dá)到受力平衡，此時針浮在水的表面.

唐朝著名的詩人杜甫的詩句“隨風(fēng)潛入夜，潤物細(xì)無聲”家喻戶曉，所描述的是雨伴著春風(fēng)在夜晚悄悄地下了起來，無聲地滋潤著萬物的場景.其詩句中所描述的“潤物”二字恰當(dāng)?shù)谋硎隽擞甑闻c植物葉莖和土地接觸時浸潤的客觀現(xiàn)象.一幅動靜交互，生機(jī)盎然的畫卷躍然眼前，可以看出浸潤是滋養(yǎng)萬物至關(guān)重要的因素之一.雨水落在土地上，與空氣構(gòu)成了三相面（固體，液體，氣體），在三相面之間達(dá)到平衡浸潤.

及至宋朝，周敦頤在《愛蓮說》中對其摯愛的蓮花描述到，“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”.與杜甫所談到的“潤物”似乎有些不同，荷葉上常常觀察到大小不一的圓形的小水滴，隨著微風(fēng)微微搖曳，在搖曳的過程中帶走了荷葉表面的泥土和灰塵.水面上一株色彩亮麗的蓮花迎風(fēng)舞動，水面下是靜益污濁的水塘和淤泥，給文人墨客以借景抒意的想象空間.荷葉上水珠呈現(xiàn)圓形的原因的是什么呢？帶走灰塵的應(yīng)用又有哪些呢？隨著科技的進(jìn)步，我們通過顯微鏡可以觀察到，荷葉的表面布滿了極小的凸起，這些極小的凸起，構(gòu)成了自身的特殊性，由于表面張力的存在，液珠在荷葉上成球型.球型的液珠在荷葉上滾動時帶走附著在表面的泥土和灰塵，實現(xiàn)所謂的自清潔[2]（如圖1）.對光滑表面進(jìn)行修飾，是改變固液接觸面的浸潤性的不可或缺的方法之一.

在宋朝，浸潤問題不僅僅出現(xiàn)在文人雅士的詩句中，也出現(xiàn)在市井之中的應(yīng)用.南宋時期的張世南，在《游宦紀(jì)聞》中記載到，“驗漆之美惡，驗真桐油之法，以細(xì)篾一頭作圈子，入油蘸.若真者，則如鼓面鞔圈子上. 滲有假，則不著圈子上矣.”[3]描述的是驗證油漆和桐油的一種方法，用竹篾一頭做成小圈，蘸到油漆或桐油中，如果它們是純的，竹篾上像鼓膜一樣形成薄膜，如果它們其中摻假，則不能形成膜.可以想象，在熱鬧的集市上，很多商販們拿著竹篾圈向客人展示自己油漆和桐油的品質(zhì)好的栩栩如生的繁榮的市井畫面.液體表面存在表面張力，與“丟針”實驗有異曲同工之效.用表面張力的知識不難理解，當(dāng)桐油和油漆雜質(zhì)含量少時，桐油和油漆表面張力較大，則可以在竹篾圈上形成一層薄膜，而當(dāng)桐油雜質(zhì)含量多而成為次品時，桐油的表面張力較小，則不能在竹篾圈上形成薄膜.

在宋朝，關(guān)于表面張力經(jīng)驗的還應(yīng)用于醫(yī)學(xué).周密在《齊東野語》中記載到“熊膽善辟塵.試之之法，以凈水一器，塵冪其上，投膽粟許，則凝塵豁然而開.以之治目障翳，極驗.”[4]描繪的是在一個容器中放入水，灰塵飄在水的表面，放入少量的熊膽，則灰塵被推開.用這種方法治療眼疾效果極佳.在醫(yī)療落后的古代，人們漸漸地總結(jié)了前人的經(jīng)驗，掌握了用熊膽融水的辦法治療眼疾.治療眼疾的原因與表面張力是密不可分的.將熊膽溶于水后，增大了水面的表面張力，在滴入眼睛時，和眼睛的浸潤性良好，因此熊膽可用來清洗和除去眼球表面的灰塵，達(dá)到治愈眼疾的效果.發(fā)展到宋朝，對于表面張力和浸潤性的記錄已經(jīng)頗多，充分表明當(dāng)時人們對于表面張力已經(jīng)有了一定的經(jīng)驗認(rèn)識并將其認(rèn)識廣泛應(yīng)用于生活，真正做到了知識來源于生活，用于生活.

隨著的科學(xué)的發(fā)展，人們智慧的不斷凝結(jié)，然而對于“丟巧針”這項活動一直被人們作為有趣的活動之一.如在明末清初張岱在《夜航船》中記載到：“取頭垢涂針，及塞針孔，水上自浮.[5]”與西漢《淮南萬畢術(shù)》的記錄有所不同，此時頭垢涂滿針身和針孔，油脂的量增加，增加了水的表面張力，針更容易浮在水面.不僅僅可以通過增加油脂的方法來增大表面張力，還可以通過增加水中的氣泡的方法來增大表面張力.如在明末清初，《帝京景物略》曾記載道：“七月七日之午，丟（巧）針.婦女曝盎水中日，頃之，水膜生面，銹針透之則浮.”到了七夕這天，婦女們向織女乞求智慧和巧藝，丟“巧”針便是眾多有趣且包含智慧的活動之一.婦女們將此項活動巧妙地安排在天氣晴朗的正午，此時水由于經(jīng)過了一上午的曝曬，水面上和水中會有很多的氣泡，這些氣泡膜的表面張力支撐著針，不再需要把針上粘上頭垢，就可以使針浮在水面上.

無論是朗朗上口的詩句，還是應(yīng)用于生活中的實例，都與表面張力和浸潤相關(guān).在中學(xué)中較少談及浸潤的發(fā)展和實驗現(xiàn)象，更是沒有給出在浸潤和表面張力的關(guān)系——液滴穩(wěn)定性的方程.

2 浸潤性的穩(wěn)定性方程——Young氏方程

從上述的種種現(xiàn)象可以看出，表面張力和浸潤性之間的有著重要的關(guān)系.關(guān)于這個問題，經(jīng)過長時間的實驗觀察和簡單應(yīng)用，卻一直沒有發(fā)展出統(tǒng)一性的公式.直到1804年，英國的的科學(xué)家Thomas Young，高度總結(jié)和概括了前人的實驗現(xiàn)象給出經(jīng)驗公式[6]. 當(dāng)液滴滴在固態(tài)表面時，液滴在固體表面達(dá)到穩(wěn)定.此時，抽象出如圖2所示的理想化模型，認(rèn)為固體表面是光滑的平面，液滴也是組成均一的液滴.此時，在固液氣三相面的交界處滿足力學(xué)平衡，有

其中，γsv，γsl，γlv，分別代表固體與氣體之間，固體與液體之間，液體與氣體之間的表面張力.θe代表固體與液體接觸面與液體面的切線的夾角，即接觸角.通過測量接觸角的大小，便可以得知其浸潤性. 當(dāng)θe<90°時，即為浸潤. 當(dāng)θe>90°時，即為不浸潤.

3 討論

當(dāng)溶液和固體表面接觸時，此時三相面即存在，其穩(wěn)定時的情況，取決于三相面的競爭關(guān)系.“丟巧針”、“竹蔑圈”等現(xiàn)象形成，固體的表面較小，其主要的原因是由于溶液表面的分子對稱性的破缺，存在表面張力在表面形成一個張緊的膜，達(dá)到想要的效果. 而“出淤泥不染”的不浸潤和“潤物”的浸潤固體的表面較大，液體滴在固體的表面，達(dá)到穩(wěn)定的主要原因是在三相面處的力學(xué)平衡形成的.

4 總結(jié)

本文追隨者古人的腳步，細(xì)致的總結(jié)了浸潤性和表面張力的詩句和應(yīng)用，描繪了一幅幅詩情畫意的畫面.

參考文獻(xiàn)：

[1]袁春梅.中國古代趣味物理實驗[J].物理教師，2008，29（10）：54-58

[2]呂鵬宇，薛亞輝，段慧玲. 超疏水材料表面液-氣界面的穩(wěn)定性及演化規(guī)律[J].力學(xué)發(fā)展，2016，46：176-224.

[3]張世南.游宦紀(jì)聞[M].卷二.

[4]周密.齊東野語[M].

[5]粟新華.水在中國古代物理實驗中的妙用[J].邵陽師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2001，23（5）：47-51.

[6] T. Young. An essay on the cohesion of fluid[J].Philos.Trans. R. Soc，1805，65-87.