神奇的液體表面張力

蔣少異

以前在物理課上有過這樣一個實驗：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呢？一開始我們猜二三十個，而實驗結果出乎意料——在一個容積約為320 ml，的普通玻璃杯中放了218個回形針后水才溢出！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滴水；蚊子無師白通“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飄遠……其實這些現(xiàn)象都歸功于液體表面張力，一股可以用數(shù)學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生的沿表面作用于任一界線上的張力，簡而言之是使液體表面收縮的力.因外部氣相分子對它的吸引力小于內部液相分子對它的吸引力，所以該分子所受合力不為零，其合力方向垂直指向液體內部，結果使液體表面有自動縮小的趨勢，這種收縮力稱為表面張力。這一微小力量的大小，可以通過實驗借助函數(shù)關系式來表示。

我們用個簡單易行的實驗方法來測液體表面張力大小——毛細管上升法，我們將一支毛細管插入液體中，液體將沿毛細管上升，升到一定高度后，液體處于平衡狀態(tài)。此時，液面對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為毛細管中液面上升的高度，γ為毛細管半徑，g為重力加速度，θ為液體與管壁的接觸角，實驗數(shù)據(jù)如下表：

值得一提的是在實驗過程中要注意接觸角θ的大小；若θ<90°，則固體表面是親水性的，液體較易潤濕固體，其角越小，表示潤濕性越好；若θ>90°，則固體表面是疏水性的，液體不容易潤濕固體，容易在表面上移動，至于液體是否能進入毛細管，與具體液體有關，并非所有液體在較大夾角下完全不進入毛細管。

除此之外，還有許多測液體表面張力的方法，比如滴體積法.當水由毛細滴管滴出時，液滴重力（mg）與液滴表面張力（γ）、滴管口半徑（γ）有關.曾有學者Tate提出簡單關系式mg=2πr·γ，因與實際情況不符而被否定.后來Harkins進行改進引入校正因子（f）和液滴體積（v），得到公式：

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

最后，我們再以一個有趣的實驗“細網(wǎng)托水”結束話題.先將一小張細網(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，把玻璃片輕輕移開，只要瓶子豎直向下，一滴水也不會流出來！細網(wǎng)能托起瓶中的水，是因為大氣壓強作用于細網(wǎng)上，產生了向上的托力；小孔不會漏出水來，是因為水有表面張力，水在網(wǎng)的表面形成水的薄膜，使水不會漏出來。

（指導老師：王思儉）