六月物理 | 水珠为什么是球形——初识表面张力

六月物理 | 水珠为什么是球形——初识表面张力

上述现象的背后,有一个共同的原因—— 液体的表面张力。

什么是表面张力呢?简单而言,就是:水等液体会产生使表面尽可能缩小的力,这个力称为“表面张力“。打一个比方,在南极冰盖上,很多只企鹅站在操场上,寒风吹来,为了尽可能减小集体受寒风的面积,企鹅们会自发地抱作一团。

其实和大群企鹅一样,物体是由大量分子构成的,分子之间有着相互的作用力。

水分子的模型,一滴水中大约有10的21次方个水分子

物理概念

表面张力

所谓的 表面张力,就是分子间作用力的一种表现形式,让我们来从微观的角度来看一下。

我们会发现处于液体内部的水分子,它受到的来自四周各方向的吸引力都相等,可以说它处于平衡状态。

在液体表面的水分子,一方面受到液体内部的吸引力作用,另一方面受到外界气体分子的吸引力作用,但是气体密度相比于液体密度很小,气体的吸引力我们就可以忽略不计。所以在液体和气体接触的表面,总会受到指向液体内部的力,同时分子与分子之间还有侧面的吸引力,就有尽量收缩表面的趋势。

但是这里我们要注意这个指向液体内部的力并不是表面张力,表面张力的方向是平行于液面的切线的,这个力只是表面张力产生的一个间接原因。而这里分子与分子之间的侧面的吸引力,就像一张有弹性的大网在把整个液体往里收拢,就会导致水滴会努力地缩小并呈现球形。

下图是我国的太空教师王亚平在2013年在太空中直播授课的场景,我们会发现在太空中由于表面张力的作用,水滴呈显出了接近完美的球形。

之前的硬币之所以可以浮在水面上,就是因为水表面有张力来维持水面的形状,而硬币如果要往下沉势必要破坏液体表面的平整,这个过程就要对抗水面的表面张力,如果硬币的重力不足以冲破表面张力那么硬币就会浮在水面上了。

许多昆虫就是借着水面张力才得以在水面上自由地驰骋,水黾就是最常见的一种,春夏交接的时候在很多池塘中都可以看见它的身影。

希望通过今天的小专题,同学们能对表面张力有一定的了解。也希望同学们能够细致观察生活,发现更多奇妙有趣的现象。

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