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为什么钢针会漂浮在水面上?

来源:大宝搞笑秀 浏览 123 次 发布时间:2022-07-14

先问大家一个问题:钢铁的比重是7.85g/cm³,水的比重是1g/cm³,为什么钢针会漂浮在水面上?(别跟我计算什么轮船的排水量,我说的是钢针)

钢针可以漂浮在水面

如果你把几枚铁丝回形针、铝制的硬币(比重2.69g/cm³)小心翼翼地放在水面,它们也一样不会沉下去。

这似乎并不科学。

我们知道计算浮力的公式是:F浮=G排。

也就是说,水对钢针的浮力应等于钢针排开水的重量。钢针的密度是水的7.85倍,它排开水的重量远远小于钢针本身的重量。因此钢针应该下沉而不是浮在水面上。

但钢针、回形针和硬币确确实实是浮在水面,没有下沉。一定有另一个力在支持它们,这个力是什么呢?

漂在水面的四枚回形针

这都是因为水的表面存在一种力:表面张力。正是这种无形的力,托起了比重大得多的物体,使它们不会下沉。很神奇是吧?

    

什么是表面张力?

表面张力是流体表面存在的可能收缩到最小表面积的趋势力;它是液体分子由于凝聚力相互吸引而在其表面形成的内向力;它就像是一张覆盖在液体表面被拉伸的弹性薄膜,可以承受一定重量的外在压力。

液体分子受力图

为什么水分子之间有这么大的凝聚力呢?

这与水的分子结构有关。我们都知道水分子是由一个氧原子与两个氢原子之间通过共价键结合而成。由于水分子是弯曲的分子结构,并且氧原子具有比氢原子更高的电负性,所以它是极性分子:氧原子带有轻微的负电荷,而氢原子略带正电荷。

水分子中原子的电荷分布图

正因为存在这样的电性质,水分子会通过氢键与它附近的水分子相互吸引,它与相邻分子形成多达四个氢键,使得水具备比较强的粘性。这意味着水存在比较强的表面张力。

水分子之间通过氢键连接的3D模型

受到表面张力的影响,水会趋向于将其表面积收到最小,我们知道在同样体积下球体的表面积最小,所以水滴会趋向于球体的形状。如果有物体压迫一个平的水面,使水的表面积增大,那么表面张力因为趋向于减小这个表面积,它会向相反的方向提供一个推力。

水滴会趋向于球形

这是一个输液管中水滴下落的视频片段,我们可以看到当上方的液滴落下时,它会受下方水面表面张力的影响凝聚成一个圆圆的小水珠,直到它们之间水分子氢键被打乱,形成新的氢键,水珠消失。

视频加载中...

水在25°C时的表面张力达到71.99 mN/m,这使得水的表面有能力托起密度很大的物体,比如回形针、钢针甚至硬币。

漂浮在水面钢针的横截面受力图

当我们将钢针放在放在水面时,它的重量

F

w将水面下压

,如果水的表面张力Fs与向下的力Fw保持平衡,钢针就可以漂浮在水面上。此时钢针的重力Fw与表面张力Fs的关系可以表示为:

表面张力与重力的平衡关系

表面张力的作用

说起水的表面张力,有些人自然就想起武侠电影里水上漂的轻功绝技。

轻功水上漂

明白的人都知道,那些不过是电影的蒙太奇,从科学的角度,人是不可能光脚踩着水面健步如飞的。

不过迄今为止,包括昆虫、蜘蛛等小型生物到爬行动物、鸟类甚至某些哺乳动物在内,有超过1200种动物已经进化出水上行走的能力。

有一种叫水黾的昆虫,它就依靠长长的腿在水面行走如飞。

    

水黾

水黾的长腿表面有许多极微小的绒毛,它一方面为水黾腿提供了更大的表面积,同时它又有疏水性,就像荷叶表面一样,它不会被水打湿。这样,当水黾站在水面时,它的几条长腿下压水面,表面张力使得水有将曲率最小化的趋势,水面就像一张弹性薄膜一样将水黾支撑起来。

壁虎也可以利用水的表面张力踩水疾行,这项技能往往使它能轻松摆脱捕食者的追击。

平尾屋壁虎踩水疾行的连拍镜头

这种壁虎有大约6克重,相比于水黾来说它确实重多了,这似乎不具备利用水表面张力的能力。但壁虎有办法,它有一身超级防水的皮肤和带蹼的脚掌,通过四条腿大力拍击水面,壁虎在它身体下方制造一个空气的空腔,这时候水的表面张力会因为有恢复曲率最小化的趋势,从而将壁虎的身体向上方推。与此同时,壁虎扭动他的身体和尾巴,尾巴像一支船橹一样驱动壁虎以1米/秒的速度在水面飞奔。

壁虎踩水的动作分解

人类如何利用表面张力?

爱喝酒的人经常喜欢用酒“挂杯”的情况来判断酒的品质,其中就蕴含了表面张力的原理。

“挂杯”又称酒泪,有人据此判断酒的品质

葡萄酒主要是酒精和水的混合物,含有溶解的糖、酸、色素和香料。当我们晃动酒杯时,酒会附着在酒杯的内壁上,酒精挥发速度快,留在杯壁的酒中醇的浓度降低,水的表面张力增加,于是聚集成下落的水滴,像眼泪一般。如果你晃动酒杯时试着捂住杯口不松手,酒精没有挥发出去,就不那么容易看到挂杯了。

人们制造防水的纺织面料,并用它来制造雨伞或衣服,这样雨水落在上面会因表面张力迅速聚集成水滴滚落,这给我们的生活带来了许多方便。

疏水的纺织面料,使水滴凝聚并滚落

防雾剂则是截然相反的例子,人们发明它是为了克服表面张力。当水气遇到冷的玻璃或游泳镜时,它会在表面聚集,形成一个个球形的小水滴,这种雾气会阻碍我们的视线,甚至会带来严重的安全风险。防雾剂可以将镜片变成亲水表面,这样就可以克服水的表面张力,使它迅速在镜面扩散成水膜而不是水滴,从而达到防雾目的。

防雾剂可以克服表面张力,带来行驶安全

总结:

支撑钢针不沉入水底的,除了水的浮力外,更多的是水表面受压而形成的表面张力。因为水分子之间4个氢键的作用,水分子间拥有更大的凝聚力,水也因此具有比许多液体更大的粘性,因此水可以提供的表面张力也更大。

不只是水,其它的流体,包括溶化的金属也都存在表面张力,这是由流体内部分子间的凝聚力决定的。

现在,你明白了吧?