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肥皂起泡的大道理——水的表面张力

来源:中国数字科技馆 浏览 26 次 发布时间:2021-03-20

公园里的小朋友吹起了一个大泡泡,阳光下的肥皂泡炫彩夺目;旁边的音乐喷泉喷出水柱,纷扬的水滴刚好落在你的手掌。其实,在这些水的大秀幕后,有一位隐形而重要的魔术师——水的表面张力。


故事还要从19世纪的欧洲讲起,那时的人们和你一样,也喜欢七彩的肥皂泡。科学家们在摆弄肥皂泡的同时,也试图揭开它背后的秘密,一位热爱科学的女孩子做到了。她设置了这样一个简单的小实验:把一块纽扣大小的金属片系在绳子上,并将它轻轻放在水面,并测量将金属片从水面提起所需力的大小。神奇的事情发生了,从水面上提起金属片,居然比从桌面上提起同一片金属更费力。也就是说,水的表面对金属有一种“吸引力”。这个吸力就是我们所说的水的表面张力。

张力只来自于水面上那薄薄的一层水分子,简单来说,它是一种让水分子更“团结”的凝聚力。如果我们把一杯水放大很多很多倍,你将看到上亿个水分子。水分子天生很爱交朋友,会主动吸引四面八方的水分子。这样的凝聚力来自一种特殊的化学作用力——氢键,它本质上是水分子中的氧原子对其他水分子中氢原子的吸引。但是,表面的水分子就不太一样了。它们的上方不再有水分子,所以这种吸引力只能作用于下方和侧方的小伙伴,最终导致的结果,就是把本应吸引上方水分子的力分给了自己侧面的邻居。就这样,最表面的一层水分子更大力地手拉手,织成一张有弹性的网,更有力地束缚着下方的水,表面张力就这样形成了。

正是表面张力的束缚,才有了水滴独特的造型,让你的眼泪有了像珍珠一样的球形。此外,这张有弹性的薄膜让一些轻小的昆虫可以在水面上轻盈行走,仿佛“水上漂”一般。有一个利用表面张力的经典实验,是让曲别针浮在水面上。曲别针由金属制成,密度大于水,如果你直接把它丢到水中,它一定会沉底。但假如你轻轻将曲别针放在水面上,不要破坏宁静的水面,便会发现此时曲别针也能平稳地漂浮着。严格来说,这并不是漂浮,而是水的表面张力在托举着曲别针。假如你扰动水面,破坏了表面张力,曲别针便会很快沉底。

说到这里你可能会问,我们好像还是没有揭开肥皂泡的秘密呀?肥皂泡的产生原理,正是在破坏水的表面张力。当你把水龙头开得很大时,喷溅出的水有时会包裹着空气,形成细小的气泡。但这些气泡一般很小,而且水膜的张力使它急于抱住其他水分子,气泡很容易破。而肥皂或洗涤剂的本质是一种表面活性剂,它们广交朋友,可以一只手拽着空气,另一只手拽着水。表面活性剂的存在大大降低了水的表面张力,有了它们的参与,气泡才能吹吹地更大也更持久。

参考资料:

1.https://www.usgs.gov/special-topic/water-science-school/science/surface-tension-and-water?qt-science_center_objects=0#qt-science_center_objects

2.「英」海伦·切尔斯基《茶杯里的风暴》北京联合出版公司

作者:比邻星

审稿:张轩中(中国科普作家协会会员,中国物理学会会员)

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