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失重环境下的水滴因为有表面张力会形成标准的圆球

来源:科学信仰孙晨 浏览 906 次 发布时间:2022-11-11

晨起叶片上的露珠会形成温润的半球体,而失重环境下的水滴则会形成一个完美的圆球,这是为什么呢?


听起来这个问题好像十分简单,半球体的露珠是因为重力的作用,而完美的球形水滴则是因为没有重力的影响,的确如此,但问题是,为什么有重力作用就一定形成半球,而失重环境下就一定形成圆球呢?它们为什么不能形成三角形、正方形,又或者是梯形呢?如果说这些形状过于诡异,那么椭球体呢?失重环境下的水滴为什么不能形成椭球体,而非得是一个标准的圆球呢?这一切都源于四个字,那就是“表面张力”。在生活中我们经常会听到表面张力这个词,但对于表面张力到底是什么,可能就不那么清楚了。

要弄清楚表面张力到底是什么,首先就得先弄清楚什么是表面。


物理学上所讲的“表面”与我们生活中所说的“表面”是有一定区别的。自日常生活中,任何物体的面我们都称之为“表面”,这与该物体是处于何种环境之中并无关系,但物理学上所讲的表面就有所不同了,物理学上所说的表面指的是“凝聚相”与气体或真空之间的分界面。在自然界之中处于凝聚态的物质有很多,而我们最为熟悉的凝聚态就是通常所说的液态和固态,所以在这里我们也可以把凝聚相简单地理解为固相和液相。以叶片上的露珠为例,它与空气相接触的面就是它的表面。


物理学上除了有“表面”的概念之外,还有“界面”的概念,所谓界面就是凝聚相与凝聚相之间的分界面。


可见,表面就是固体或液体与空气或真空相接触的面,而界面就是固体或液体与其它固体或液体相接触的面。明确了表面与界面,接下来就该说说表面能与界面能了。物体的表面是具有能量的,为什么呢?让我们想一想,在一个水滴的内部,水分子是均匀分布的,每一个水分子都被其它水分子所包围,但是在这个水滴的表面,情况就有所不同了,在水分子与空气或真空接触的地方,外面并没有其它的水分子,也就是说在接触面上几乎没有任何作用力。


表面之外没有作用力,这使得表面的水分子变得更加活跃,于是就产生了能量,这股能量就被我们称之为表面能。


表面能是从何而来的呢?是致使表面产生的力所赋予的。比如,我们要将一滴水分成两滴水,就必须要给它一个力,比如弹它一下,弹完之后,水滴一分为二,表面积增加了,而我们弹的这股力就成为了新增表面的表面能。如果我们要将一根铁棍一分为二,显然要比将水一分为二花费更大的力气,所以铁的表面能要远超水滴。表面有表面能,界面自然也有界面能,只不过对于界面而言,两种物质的差异越大,那么界面能也就越大。


弄懂了什么是表面能,接下来就要说说表面张力了。

现在先让我们回到最开始的问题上来,为什么叶片上的露珠呈半球体,而失重环境下的水滴呈现出完美的球形?因为无论是半球体,还是球体,它们都是一种表面积最小的形状,因为在体积相同的情况下,球体的表面积是所有形状中最小的。为什么要保证表面积最小?因为在自然界之中,所有的物质都要遵循“最小能量原理”,所谓最小能量原理指的就是物质必须要以最小能量的状态存在。很显然,表面能与表面积是正相关的,表面积越大,表面能就越大,所以要遵循最小能量原理就必须要使表面积保持最小形态,于是水滴就变成了个完美的球体。


水滴要变成一个完美的球体,而要想变成一个完美的球体就必须依靠一个作用在表面上的力,这个力就是“表面张力”。


力不会凭空产生,表面张力从何而来?当然是从表面能而来,事实上,所谓的表面张力就是单位面积上的表面能,如果列成公式就是表面张力等于表面能除以面积。可见,表面张力与表面积的大小无关,也就是说无论大水滴,还是小水滴,它们的表面张力都是相同的,不同的只是表面能而已。弄明白了什么是表面张力,我们也就知道了困在水滴里的小蚂蚁为什么爬不出来了,想要冲破水滴,就需要有比水滴表面张力更大的力气,而小蚂蚁的力气显然有些不够。