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液體表面張力為什么不用積分?

來(lai)源:知乎 阿黃sweetgirl 瀏(liu)覽 737 次 發布(bu)時間(jian):2021-07-23

物理書上F=αL,力(li)不(bu)是這(zhe)條(tiao)(tiao)線(xian)上的嗎(ma)?要求(qiu)一個液(ye)面的張(zhang)力(li),難道不(bu)用對這(zhe)個面積分嗎(ma),即求(qiu)所有線(xian)上的張(zhang)力(li)之和,如(ru)果不(bu)用,那這(zhe)條(tiao)(tiao)線(xian)又(you)應該怎么取?


物(wu)理中的(de)受(shou)力分(fen)析往往讓人(ren)摸不(bu)到頭腦,就(jiu)像這本書(shu)中,就(jiu)是簡單地介紹表面張力的(de)概念,很不(bu)嚴謹。


當(dang)力的(de)討論難以讓人明(ming)白時,我們往(wang)往(wang)會(hui)轉(zhuan)變思路,從能量的(de)角度(du)出發,比(bi)如曲(qu)面的(de)拉普拉斯附加壓力方(fang)程的(de)推導。


表面張(zhang)力的(de)概(gai)念也可以從能量(liang)的(de)角度(du)去理(li)解。表面張(zhang)力對應的(de)能量(liang)是表面能,我們可以用能量(liang)的(de)概(gai)念去理(li)解如下。


假設(she)一(yi)半徑為(wei)R的圓面向外擴張距離為(wei)dR,這個過程表(biao)面張力做功等于表(biao)面能的變化。具體推導(dao)如下圖。

從而可(ke)得(de)出表(biao)面(mian)張力的大小為(wei)表(biao)面(mian)能與(yu)表(biao)面(mian)長度的乘積。此(ci)時,表(biao)面(mian)能的單(dan)位為(wei)J/m2,也可(ke)以化簡為(wei)N/m,這就是表(biao)面(mian)張力系數的單(dan)位了。


我(wo)們(men)對(dui)表面(mian)張力(li)(li)不是(shi)(shi)很理解的(de)重要原因(yin)是(shi)(shi)它是(shi)(shi)一種表面(mian)力(li)(li)。我(wo)們(men)所學(xue)的(de)重力(li)(li),電場力(li)(li),磁場力(li)(li)等(deng)都是(shi)(shi)體(ti)積力(li)(li)。如果把(ba)體(ti)積力(li)(li)和表面(mian)力(li)(li)放(fang)在一起受力(li)(li)分(fen)(fen)(fen)析(xi),會是(shi)(shi)十分(fen)(fen)(fen)痛苦(ku)的(de),有(you)時需(xu)(xu)要相(xiang)互等(deng)效(xiao)和轉化。而能(neng)否等(deng)效(xiao),往往需(xu)(xu)要通(tong)過能(neng)量(liang)分(fen)(fen)(fen)析(xi)來(lai)驗(yan)證。能(neng)量(liang)分(fen)(fen)(fen)析(xi)的(de)難(nan)點(dian)是(shi)(shi)計算量(liang)太大(da),如果沒(mei)有(you)受力(li)(li)分(fen)(fen)(fen)析(xi)作為指(zhi)導(dao),很難(nan)得出(chu)想(xiang)要推導(dao)出(chu)的(de)結(jie)果。所以兩(liang)者結(jie)合(he),受力(li)(li)分(fen)(fen)(fen)析(xi)給(gei)出(chu)大(da)致(zhi)結(jie)果,能(neng)量(liang)分(fen)(fen)(fen)析(xi)驗(yan)證其正確性(xing)。