有趣的表面張力

王立文

教育部在2017年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中要求學(xué)生知道物質(zhì)領(lǐng)域中常見的力、認(rèn)識(shí)力的作用。物體的表面張力不是顯而易見的宏觀物體之間的作用力，而是組成物體的物質(zhì)內(nèi)部分子之間力的作用。世界上的物質(zhì)都是由各種微觀粒子構(gòu)成的，這些微觀粒子之間也存在著相互作用。微觀粒子作用力無處不在，但摸不著，看不到，理解起來也非常抽象，只能通過它們所形成的宏觀現(xiàn)象間接認(rèn)識(shí)。液體的表面張力就是在日常生活中比較容易觀察到的科學(xué)現(xiàn)象，雨后水滴在枝頭懸而不落、水面稍高出杯口而不外溢、水龍頭緩緩垂下的水滴等許多日?，F(xiàn)象，都是表面張力作用的結(jié)果。在中國(guó)科技館“兒童科學(xué)樂園”展廳的“戲水港灣”展區(qū)，就有這樣2件展品——“變幻的水花”與“水霧蘑菇”，展示了與液體表面張力相關(guān)的內(nèi)容。

自然界中的水等液體會(huì)產(chǎn)生使表面盡可能縮小的力，這個(gè)力被稱為表面張力。表面張力是由液體分子間很大的內(nèi)聚力引起的。液體與氣體相接觸時(shí)，會(huì)形成一個(gè)表面層，在這個(gè)表面層上，液體處于液相和氣相接觸界面的分子受到內(nèi)部液態(tài)分子的作用力要比氣相分子給的作用力大，所以這些分子都有向液體內(nèi)部聚攏的趨勢(shì)，表現(xiàn)出具有液體的內(nèi)聚性（圖1）。內(nèi)聚性使液體能抵抗拉伸應(yīng)力，在液體表層好像形成一個(gè)彈性緊繃的橡皮膜，有收縮的趨勢(shì)，從而使液體盡可能地縮小其表面積。在不同形狀的幾何體中，球形是一定體積下具有最小表面積的幾何形體。因此，在表面張力的作用下，液滴總是力圖保持球形，這就是我們常見的樹葉上的水滴按近球形的原因。表面張力的方向與液面相切，并與液面的任何兩部分分界線垂直。

變換的水花

展品“變換的水花”主要由上下噴水管（2條水管上下相對(duì)，相距一定距離）、水泵、轉(zhuǎn)動(dòng)手輪、碼盤和電路控制系統(tǒng)等組成（圖2）。

下方的水管一直由水泵供水、不斷向上噴出穩(wěn)定的水流。觀眾轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，不斷改變手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，下方轉(zhuǎn)軸處的碼盤會(huì)根據(jù)手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制水泵的排水量，從而控制上方水管的出水流量。在這個(gè)過程中，觀眾可以觀察到上下水管噴出的水流沖擊時(shí)形成的各種不同形狀的水花，并且手輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度越大，水花越大，甚至可以形成動(dòng)態(tài)的圓盤狀的水花。在與展品互動(dòng)過程中，觀眾可以體驗(yàn)到水花的大小與手輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，欣賞到由液體表面張力作用而產(chǎn)生的奇特現(xiàn)象。

經(jīng)過仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上水管沒有水流出時(shí)，下水管水流噴出一定高度的水流沿著水管管壁向下流淌。當(dāng)上水管有水流出時(shí)，上、下兩股水流在空中相遇，形成水流對(duì)沖，水流在沖擊力的作用下，對(duì)抗液體表面張力，水流的外形由收縮狀的圓柱形被打散，外表面積增大，從而在上、下水管之間形成動(dòng)態(tài)的水花。當(dāng)增大上水流流速時(shí)，水花的外形也會(huì)增大。

水霧蘑菇

展品“水霧蘑菇”由水蘑菇裝置、水霧發(fā)生器、水泵、壓力泵、導(dǎo)水管和三級(jí)不平衡桶等組成，水蘑菇裝置通過水泵不停地供水，水流從水平平行放置的2個(gè)圓盤之間的縫隙中噴出，由于縫隙很小，在圓盤周圍就會(huì)形成圓形水膜，水膜在重力作用下逐步向下落下，就形成了近似蘑菇的外形。同時(shí)內(nèi)部水霧發(fā)生器也在不停工作，使水蘑菇裝置內(nèi)部充滿白色水霧，形成一個(gè)奇特的“水霧蘑菇”（圖3）。

觀眾通過提水互動(dòng)可以將水霧蘑菇里面的水霧排出來。首先驅(qū)動(dòng)壓力泵，將水注入三級(jí)不平衡桶中，隨著第一級(jí)不平衡桶中的水量逐漸增加，桶的重心逐步提高，當(dāng)水量積蓄到一定量使重心超過桶的支撐點(diǎn)位置時(shí)，稍有干擾桶就會(huì)頃刻翻轉(zhuǎn)，從而將桶內(nèi)的積水瞬間傾瀉到下一級(jí)不平衡桶中，最后有更多的積水瞬間倒在水霧蘑菇上，打破了穩(wěn)定的水膜，水霧也將從“蘑菇”中溢出來。通過這件展品，觀眾既可以觀察水桶的平衡和重心概念，又能認(rèn)識(shí)表面張力形成的水膜現(xiàn)象。

很多小朋友喜歡玩吹泡泡玩具，稍用力吹時(shí)會(huì)生成很多近似球形的肥皂膜，但稍后又會(huì)發(fā)現(xiàn)肥皂膜只能維持短暫的時(shí)間，這是為什么呢？其主要原因是我們生活在地球上，身邊的所有物體都會(huì)受到重力的作用，肥皂膜也不例外。在重力作用下，肥皂膜會(huì)向下方堆積，上方會(huì)逐漸變薄，最后就破裂了，所以它只能維持很短的時(shí)間。如果離開地球到太空去，情況就不一樣了。2013年6月20日，天宮一號(hào)上的女航天員王亞平對(duì)全國(guó)中小學(xué)生進(jìn)行人類歷史上第2次太空授課，全國(guó)8萬余所中學(xué)的6000萬師生通過電視直播進(jìn)行了同步收看。太空授課開展了幾個(gè)系列的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，其中就有展示失重條件下表面張力的物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程是這樣的：航天員手握金屬環(huán)在小水袋中蘸了一下，取出來時(shí)在金屬環(huán)上就形成了1個(gè)水膜，然后在水膜上輕輕貼上1張印有中國(guó)結(jié)圖案的小圖片，水膜竟然沒有破裂。隨后航天員又慢慢地向水膜上澆水，水分布在水膜上，逐漸形成了1個(gè)水球！這次實(shí)驗(yàn)給全國(guó)各地的學(xué)生留下了很深刻的印象。

液體的表面張力是可以改變的，如果液體中含有雜質(zhì)，就會(huì)改變液體的表面張力。潔凈的水有很大的表面張力，而含有肥皂液的水的表面張力就比較小。也就是說，潔凈水的表面具有更大的收縮趨勢(shì)。在日常生活中，我們經(jīng)常利用表面活性劑降低物質(zhì)表面的張力，例如在洗面奶、洗滌劑、沐浴露等洗滌用品中添加適量表面活性劑，可以使其具有豐富的發(fā)泡性、良好的乳化性、適度的洗滌去污力，以及特有的皮膚親和性，以滿足不同的需求。