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液體表面張力為什么不用積分?
來源:知乎 瀏覽 436 次 發布時間(jian):2019-07-19
液體表面張(zhang)力為(wei)什么不用(yong)積(ji)分(fen)?物理書上(shang)F=αL,力不是(shi)這條(tiao)線上(shang)的(de)嗎?要求一個液面的(de)張(zhang)力,難(nan)道不用(yong)對這個面積(ji)分(fen)嗎,即求所有線上(shang)的(de)張(zhang)力之和,如果不用(yong),那這條(tiao)線又應該怎么取?
物理(li)中(zhong)的受力分析往(wang)往(wang)讓人摸不(bu)到頭腦,就像這(zhe)本(ben)書中(zhong),就是簡單地(di)介紹(shao)表面張(zhang)力的概念,很(hen)不(bu)嚴(yan)謹。
當力的(de)(de)討論難(nan)以讓人明白時,我(wo)們(men)往(wang)往(wang)會轉(zhuan)變(bian)思路,從能量(liang)的(de)(de)角度出發,比如曲面的(de)(de)拉(la)普(pu)拉(la)斯附(fu)加壓力方程的(de)(de)推導。
表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)的(de)(de)概(gai)念也可以從(cong)能(neng)量(liang)的(de)(de)角(jiao)度去理(li)解(jie)。表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)對應的(de)(de)能(neng)量(liang)是表面(mian)(mian)能(neng),我們可以用能(neng)量(liang)的(de)(de)概(gai)念去理(li)解(jie)如下。假設一半徑為(wei)R的(de)(de)圓面(mian)(mian)向外擴張(zhang)距(ju)離為(wei)dR,這個過程表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)做功等于表面(mian)(mian)能(neng)的(de)(de)變化。具體推(tui)導如下圖。
從(cong)而(er)可得出(chu)表(biao)面(mian)(mian)張力的大(da)小(xiao)為(wei)表(biao)面(mian)(mian)能與表(biao)面(mian)(mian)長度的乘積。此(ci)時,表(biao)面(mian)(mian)能的單(dan)位為(wei)J/m2,也可以化簡(jian)為(wei)N/m, 這(zhe)就是表(biao)面(mian)(mian)張力系數的單(dan)位了。
我(wo)們(men)對表面張力(li)(li)不是很理解的(de)重要原因是它是一(yi)種(zhong)表面力(li)(li)。我(wo)們(men)所學的(de)重力(li)(li),電場(chang)力(li)(li),磁場(chang)力(li)(li)等都是體積力(li)(li)。
如(ru)果把(ba)體(ti)積力和表面力放在一起受力分析,會是十分痛苦的(de),有時需要相互等效(xiao)和轉化。而(er)能否等效(xiao),往(wang)(wang)往(wang)(wang)需要通過能量分析來驗證。
能量(liang)分(fen)(fen)析的難點是計算量(liang)太大(da),如果(guo)(guo)沒(mei)有受(shou)力(li)分(fen)(fen)析作為指(zhi)導(dao),很難得出想要推導(dao)出的結(jie)果(guo)(guo)。所以(yi)兩者結(jie)合,受(shou)力(li)分(fen)(fen)析給出大(da)致結(jie)果(guo)(guo),能量(liang)分(fen)(fen)析驗證其正(zheng)確性。