先問大家(jia)一個問題：鋼鐵的(de)比(bi)重(zhong)是7.85g/cm3，水(shui)的(de)比(bi)重(zhong)是1g/cm3，為什么鋼針(zhen)會(hui)漂浮(fu)在水(shui)面上(shang)？（別跟(gen)我計算什么輪船的(de)排水(shui)量，我說的(de)是鋼針(zhen)）

鋼針(zhen)可以漂浮在水面

如果你把幾枚鐵絲回形針、鋁制(zhi)的硬幣（比重2.69g/cm3）小心翼(yi)翼(yi)地放在水(shui)面，它(ta)們也(ye)一樣(yang)不會(hui)沉下(xia)去。

這似乎并不科學。

我們知道計算(suan)浮力的公式是(shi)：F浮=G排。

也就是說，水(shui)(shui)(shui)對鋼針的浮(fu)力應(ying)等于鋼針排開水(shui)(shui)(shui)的重(zhong)量(liang)。鋼針的密度是水(shui)(shui)(shui)的7.85倍，它排開水(shui)(shui)(shui)的重(zhong)量(liang)遠(yuan)遠(yuan)小于鋼針本(ben)身的重(zhong)量(liang)。因此鋼針應(ying)該下沉而不是浮(fu)在(zai)水(shui)(shui)(shui)面(mian)上。

但鋼針、回(hui)形(xing)針和硬幣確確實實是浮在水面，沒有(you)下沉(chen)。一(yi)定(ding)有(you)另一(yi)個力在支持它們，這個力是什么呢(ni)？

漂(piao)在水面的(de)四(si)枚回形針

 這都(dou)是(shi)因(yin)為水(shui)的表(biao)(biao)面存在一種力(li)：表(biao)(biao)面張力(li)。正是(shi)這種無形的力(li)，托(tuo)起(qi)了比重大得多的物(wu)體(ti)，使它們不會下(xia)沉。很神奇是(shi)吧？

什(shen)么是表(biao)面張力？

表面張力是(shi)(shi)流體(ti)表面存在(zai)的(de)(de)可能(neng)收縮到最小表面積的(de)(de)趨勢力；它是(shi)(shi)液體(ti)分子由于(yu)凝聚力相互(hu)吸引而在(zai)其(qi)表面形(xing)成的(de)(de)內向力；它就(jiu)像是(shi)(shi)一(yi)張覆(fu)蓋在(zai)液體(ti)表面被(bei)拉伸的(de)(de)彈性薄膜，可以(yi)承受一(yi)定重量的(de)(de)外在(zai)壓(ya)力。

液體(ti)分子受力圖

為什么(me)水(shui)分(fen)子之間有這么(me)大(da)的凝聚力呢？

這與水的分(fen)(fen)子(zi)(zi)結構有(you)關(guan)。我們(men)都(dou)知道水分(fen)(fen)子(zi)(zi)是由(you)一個(ge)氧原(yuan)子(zi)(zi)與兩個(ge)氫(qing)原(yuan)子(zi)(zi)之間通(tong)過共價鍵(jian)結合而成。由(you)于(yu)水分(fen)(fen)子(zi)(zi)是彎曲(qu)的分(fen)(fen)子(zi)(zi)結構，并(bing)且氧原(yuan)子(zi)(zi)具有(you)比氫(qing)原(yuan)子(zi)(zi)更高的電(dian)負性，所以它是極性分(fen)(fen)子(zi)(zi)：氧原(yuan)子(zi)(zi)帶(dai)(dai)有(you)輕微(wei)的負電(dian)荷，而氫(qing)原(yuan)子(zi)(zi)略(lve)帶(dai)(dai)正電(dian)荷。

水分子中原子的電(dian)荷分布圖

正(zheng)因(yin)為存(cun)在(zai)這樣的電性質(zhi)，水分子(zi)會通過氫鍵(jian)與(yu)它(ta)附近的水分子(zi)相互(hu)吸引，它(ta)與(yu)相鄰分子(zi)形(xing)成多達四個(ge)氫鍵(jian)，使得水具備比(bi)較(jiao)強(qiang)的粘性。這意味(wei)著水存(cun)在(zai)比(bi)較(jiao)強(qiang)的表面張力。

水(shui)分子之間通過氫鍵連接(jie)的3D模型

受到(dao)表(biao)(biao)面張力的(de)影(ying)響(xiang)，水(shui)會趨向(xiang)(xiang)于(yu)將其表(biao)(biao)面積(ji)收到(dao)最(zui)(zui)小(xiao)，我們知(zhi)道在同樣體積(ji)下球(qiu)體的(de)表(biao)(biao)面積(ji)最(zui)(zui)小(xiao)，所(suo)以水(shui)滴會趨向(xiang)(xiang)于(yu)球(qiu)體的(de)形狀。如果有物體壓(ya)迫(po)一個(ge)平的(de)水(shui)面，使水(shui)的(de)表(biao)(biao)面積(ji)增大，那么表(biao)(biao)面張力因為趨向(xiang)(xiang)于(yu)減小(xiao)這(zhe)個(ge)表(biao)(biao)面積(ji)，它(ta)會向(xiang)(xiang)相反的(de)方(fang)向(xiang)(xiang)提(ti)供(gong)一個(ge)推力。

水滴(di)會趨(qu)向于(yu)球(qiu)形

這(zhe)是一個(ge)輸液管中水(shui)滴下(xia)落(luo)的(de)視頻片段，我們可以看到(dao)當上方的(de)液滴落(luo)下(xia)時，它會受下(xia)方水(shui)面(mian)表面(mian)張力的(de)影響凝聚成一個(ge)圓圓的(de)小水(shui)珠(zhu)，直到(dao)它們之(zhi)間水(shui)分子氫鍵(jian)被打(da)亂，形成新(xin)的(de)氫鍵(jian)，水(shui)珠(zhu)消失。

視頻加載中(zhong)...

水在25°C時的(de)表面張力達到71.99 mN/m，這使得水的(de)表面有能力托起(qi)密度很大的(de)物體，比如回形針、鋼(gang)針甚(shen)至硬(ying)幣。

漂浮(fu)在水面(mian)鋼(gang)針的橫截(jie)面(mian)受力圖

當我們(men)將鋼針放在放在水面時，它的重量

F

w將水(shui)面下(xia)壓

，如果水的(de)(de)表面張力Fs與向下(xia)的(de)(de)力Fw保(bao)持平(ping)衡，鋼針就可(ke)以(yi)漂浮在(zai)水面上。此時鋼針的(de)(de)重力Fw與表面張力Fs的(de)(de)關系可(ke)以(yi)表示為(wei)：

表面張力與重(zhong)力的(de)平衡關(guan)系(xi)

表(biao)面張(zhang)力(li)的(de)作(zuo)用

說起水的表(biao)面張力，有些人自然就想起武(wu)俠(xia)電影里水上漂(piao)的輕功絕技(ji)。

輕功水上漂

明白的人(ren)都知道，那些不過(guo)是電影(ying)的蒙太奇，從科學的角度(du)，人(ren)是不可能(neng)光腳踩著水(shui)面(mian)健步如飛的。

不(bu)過迄今為止，包括昆蟲(chong)、蜘蛛等小(xiao)型生物(wu)到爬行動(dong)物(wu)、鳥類甚至某些哺乳(ru)動(dong)物(wu)在內，有超過1200種動(dong)物(wu)已經進(jin)化出(chu)水上(shang)行走的能(neng)力。

有一種叫水(shui)黽的(de)昆蟲(chong)，它(ta)就依靠長長的(de)腿在水(shui)面(mian)行走如(ru)飛(fei)。

水黽

水(shui)(shui)(shui)(shui)黽(min)的(de)長(chang)腿表(biao)面(mian)(mian)(mian)有(you)許(xu)多極微(wei)小的(de)絨毛，它(ta)一(yi)(yi)方面(mian)(mian)(mian)為(wei)水(shui)(shui)(shui)(shui)黽(min)腿提供了更大的(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)積，同時它(ta)又有(you)疏水(shui)(shui)(shui)(shui)性(xing)，就像(xiang)荷葉表(biao)面(mian)(mian)(mian)一(yi)(yi)樣，它(ta)不會(hui)被水(shui)(shui)(shui)(shui)打濕。這樣，當水(shui)(shui)(shui)(shui)黽(min)站在(zai)水(shui)(shui)(shui)(shui)面(mian)(mian)(mian)時，它(ta)的(de)幾條長(chang)腿下(xia)壓(ya)水(shui)(shui)(shui)(shui)面(mian)(mian)(mian)，表(biao)面(mian)(mian)(mian)張力使得水(shui)(shui)(shui)(shui)有(you)將曲率最小化的(de)趨勢，水(shui)(shui)(shui)(shui)面(mian)(mian)(mian)就像(xiang)一(yi)(yi)張彈性(xing)薄膜一(yi)(yi)樣將水(shui)(shui)(shui)(shui)黽(min)支撐起(qi)來(lai)。

壁虎也可以(yi)利(li)用(yong)水(shui)的(de)表(biao)面張力踩水(shui)疾行，這項技能(neng)往(wang)往(wang)使它能(neng)輕松擺(bai)脫捕(bu)食者的(de)追擊(ji)。

平尾屋(wu)壁虎踩水疾行(xing)的(de)連拍(pai)鏡頭

這(zhe)(zhe)種壁(bi)(bi)虎有大約(yue)6克重，相比于水黽來說它(ta)確實重多了，這(zhe)(zhe)似乎不具備利用(yong)水表(biao)面(mian)張力(li)(li)的(de)(de)能(neng)力(li)(li)。但(dan)壁(bi)(bi)虎有辦法，它(ta)有一(yi)身超(chao)級防(fang)水的(de)(de)皮膚和帶蹼(pu)的(de)(de)腳掌，通過四條(tiao)腿大力(li)(li)拍(pai)擊水面(mian)，壁(bi)(bi)虎在它(ta)身體(ti)(ti)下方制造一(yi)個(ge)空氣的(de)(de)空腔，這(zhe)(zhe)時候水的(de)(de)表(biao)面(mian)張力(li)(li)會因為有恢復(fu)曲率(lv)最(zui)小化(hua)的(de)(de)趨勢，從(cong)而將壁(bi)(bi)虎的(de)(de)身體(ti)(ti)向上方推。與此同時，壁(bi)(bi)虎扭動(dong)(dong)他(ta)的(de)(de)身體(ti)(ti)和尾巴(ba)(ba)，尾巴(ba)(ba)像一(yi)支船櫓(lu)一(yi)樣(yang)驅(qu)動(dong)(dong)壁(bi)(bi)虎以1米(mi)/秒(miao)的(de)(de)速度在水面(mian)飛奔。

壁(bi)虎踩水的(de)動作分解(jie)

人類如何(he)利用表面張(zhang)力(li)？

愛喝酒(jiu)的(de)人(ren)經常喜歡用酒(jiu)“掛杯(bei)”的(de)情況(kuang)來判斷酒(jiu)的(de)品質(zhi)，其中就蘊(yun)含了表面張力(li)的(de)原理。

“掛杯”又(you)稱酒(jiu)淚，有(you)人據此判斷酒(jiu)的品質

 葡(pu)萄(tao)酒(jiu)主(zhu)要是(shi)酒(jiu)精(jing)和(he)水的(de)(de)混合物，含有溶(rong)解的(de)(de)糖(tang)、酸、色素和(he)香料。當我(wo)們晃動(dong)酒(jiu)杯時，酒(jiu)會附(fu)著在酒(jiu)杯的(de)(de)內壁上，酒(jiu)精(jing)揮發速度(du)(du)快，留在杯壁的(de)(de)酒(jiu)中醇的(de)(de)濃度(du)(du)降(jiang)低(di)，水的(de)(de)表面(mian)張力(li)增加，于是(shi)聚集成下落的(de)(de)水滴，像眼(yan)淚一般。如(ru)果你晃動(dong)酒(jiu)杯時試著捂住杯口不(bu)松手(shou)，酒(jiu)精(jing)沒(mei)有揮發出(chu)去，就(jiu)不(bu)那么容易看到掛杯了。

人們制(zhi)(zhi)造防(fang)水的(de)紡織面料，并用它來制(zhi)(zhi)造雨(yu)傘或衣服，這(zhe)樣雨(yu)水落在(zai)上面會因表面張力(li)迅(xun)速(su)聚集成水滴滾(gun)落，這(zhe)給(gei)我們的(de)生活(huo)帶來了許(xu)多方便。

疏水的紡織面料，使水滴凝聚并滾落

防霧劑則是截(jie)然相反的(de)(de)例(li)子(zi)，人們發明它(ta)是為了克服表面(mian)(mian)張力。當水氣遇到冷的(de)(de)玻璃或游泳鏡(jing)時，它(ta)會(hui)在(zai)表面(mian)(mian)聚集，形成一個個球形的(de)(de)小水滴，這種霧氣會(hui)阻礙我們的(de)(de)視線，甚至會(hui)帶(dai)來嚴重(zhong)的(de)(de)安全風險。防霧劑可(ke)以(yi)將鏡(jing)片變(bian)成親水表面(mian)(mian)，這樣就可(ke)以(yi)克服水的(de)(de)表面(mian)(mian)張力，使它(ta)迅速在(zai)鏡(jing)面(mian)(mian)擴(kuo)散成水膜而不(bu)是水滴，從而達到防霧目的(de)(de)。

防霧劑可以克服表面張(zhang)力，帶來行駛安全

總結：

支撐鋼針不(bu)沉入水(shui)底(di)的(de)(de)，除了水(shui)的(de)(de)浮(fu)力(li)外，更多(duo)的(de)(de)是水(shui)表面(mian)受壓而形成的(de)(de)表面(mian)張力(li)。因(yin)(yin)為水(shui)分(fen)子之間4個氫鍵的(de)(de)作用(yong)，水(shui)分(fen)子間擁有更大(da)的(de)(de)凝聚力(li)，水(shui)也(ye)因(yin)(yin)此具有比許多(duo)液體更大(da)的(de)(de)粘性，因(yin)(yin)此水(shui)可(ke)以提供(gong)的(de)(de)表面(mian)張力(li)也(ye)更大(da)。

不只是(shi)(shi)水(shui)，其它的(de)流體(ti)(ti)，包括溶(rong)化的(de)金屬也都存在表面張(zhang)力，這是(shi)(shi)由流體(ti)(ti)內部分子(zi)間的(de)凝聚力決定的(de)。

現在，你明(ming)白了(le)吧(ba)？