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為什么鋼針會漂浮在水面上?
來源:大寶搞笑秀 瀏覽 1445 次 發(fā)布時間:2022-07-14
先問大家一個問題:鋼鐵的比重是7.85g/cm3,水的比重是1g/cm3,為什么鋼針會漂浮在水面上?(別跟我計算什么輪船的排水量,我說的是鋼針)
鋼針可以漂浮在水面
如果你把幾枚鐵絲回形針、鋁制的硬幣(比重2.69g/cm3)小心翼翼地放在水面,它們也一樣不會沉下去。
這似乎并不科學(xué)。
我們知道計算浮力的公式是:F浮=G排。
也就是說,水對鋼針的浮力應(yīng)等于鋼針排開水的重量。鋼針的密度是水的7.85倍,它排開水的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼針本身的重量。因此鋼針應(yīng)該下沉而不是浮在水面上。
但鋼針、回形針和硬幣確確實實是浮在水面,沒有下沉。一定有另一個力在支持它們,這個力是什么呢?
漂在水面的四枚回形針
這都是因為水的表面存在一種力:表面張力。正是這種無形的力,托起了比重大得多的物體,使它們不會下沉。很神奇是吧?
什么是表面張力?
表面張力是流體表面存在的可能收縮到最小表面積的趨勢力;它是液體分子由于凝聚力相互吸引而在其表面形成的內(nèi)向力;它就像是一張覆蓋在液體表面被拉伸的彈性薄膜,可以承受一定重量的外在壓力。
液體分子受力圖
為什么水分子之間有這么大的凝聚力呢?
這與水的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。我們都知道水分子是由一個氧原子與兩個氫原子之間通過共價鍵結(jié)合而成。由于水分子是彎曲的分子結(jié)構(gòu),并且氧原子具有比氫原子更高的電負(fù)性,所以它是極性分子:氧原子帶有輕微的負(fù)電荷,而氫原子略帶正電荷。
水分子中原子的電荷分布圖
正因為存在這樣的電性質(zhì),水分子會通過氫鍵與它附近的水分子相互吸引,它與相鄰分子形成多達(dá)四個氫鍵,使得水具備比較強的粘性。這意味著水存在比較強的表面張力。
水分子之間通過氫鍵連接的3D模型
受到表面張力的影響,水會趨向于將其表面積收到最小,我們知道在同樣體積下球體的表面積最小,所以水滴會趨向于球體的形狀。如果有物體壓迫一個平的水面,使水的表面積增大,那么表面張力因為趨向于減小這個表面積,它會向相反的方向提供一個推力。
水滴會趨向于球形
這是一個輸液管中水滴下落的視頻片段,我們可以看到當(dāng)上方的液滴落下時,它會受下方水面表面張力的影響凝聚成一個圓圓的小水珠,直到它們之間水分子氫鍵被打亂,形成新的氫鍵,水珠消失。
視頻加載中...
水在25°C時的表面張力達(dá)到71.99 mN/m,這使得水的表面有能力托起密度很大的物體,比如回形針、鋼針甚至硬幣。
漂浮在水面鋼針的橫截面受力圖
當(dāng)我們將鋼針放在放在水面時,它的重量
F
w將水面下壓
,如果水的表面張力Fs與向下的力Fw保持平衡,鋼針就可以漂浮在水面上。此時鋼針的重力Fw與表面張力Fs的關(guān)系可以表示為:
表面張力與重力的平衡關(guān)系
表面張力的作用
說起水的表面張力,有些人自然就想起武俠電影里水上漂的輕功絕技。
輕功水上漂
明白的人都知道,那些不過是電影的蒙太奇,從科學(xué)的角度,人是不可能光腳踩著水面健步如飛的。
不過迄今為止,包括昆蟲、蜘蛛等小型生物到爬行動物、鳥類甚至某些哺乳動物在內(nèi),有超過1200種動物已經(jīng)進(jìn)化出水上行走的能力。
有一種叫水黽的昆蟲,它就依靠長長的腿在水面行走如飛。
水黽
水黽的長腿表面有許多極微小的絨毛,它一方面為水黽腿提供了更大的表面積,同時它又有疏水性,就像荷葉表面一樣,它不會被水打濕。這樣,當(dāng)水黽站在水面時,它的幾條長腿下壓水面,表面張力使得水有將曲率最小化的趨勢,水面就像一張彈性薄膜一樣將水黽支撐起來。
壁虎也可以利用水的表面張力踩水疾行,這項技能往往使它能輕松擺脫捕食者的追擊。
平尾屋壁虎踩水疾行的連拍鏡頭
這種壁虎有大約6克重,相比于水黽來說它確實重多了,這似乎不具備利用水表面張力的能力。但壁虎有辦法,它有一身超級防水的皮膚和帶蹼的腳掌,通過四條腿大力拍擊水面,壁虎在它身體下方制造一個空氣的空腔,這時候水的表面張力會因為有恢復(fù)曲率最小化的趨勢,從而將壁虎的身體向上方推。與此同時,壁虎扭動他的身體和尾巴,尾巴像一支船櫓一樣驅(qū)動壁虎以1米/秒的速度在水面飛奔。
壁虎踩水的動作分解
人類如何利用表面張力?
愛喝酒的人經(jīng)常喜歡用酒“掛杯”的情況來判斷酒的品質(zhì),其中就蘊含了表面張力的原理。
“掛杯”又稱酒淚,有人據(jù)此判斷酒的品質(zhì)
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。當(dāng)我們晃動酒杯時,酒會附著在酒杯的內(nèi)壁上,酒精揮發(fā)速度快,留在杯壁的酒中醇的濃度降低,水的表面張力增加,于是聚集成下落的水滴,像眼淚一般。如果你晃動酒杯時試著捂住杯口不松手,酒精沒有揮發(fā)出去,就不那么容易看到掛杯了。
人們制造防水的紡織面料,并用它來制造雨傘或衣服,這樣雨水落在上面會因表面張力迅速聚集成水滴滾落,這給我們的生活帶來了許多方便。
疏水的紡織面料,使水滴凝聚并滾落
防霧劑則是截然相反的例子,人們發(fā)明它是為了克服表面張力。當(dāng)水氣遇到冷的玻璃或游泳鏡時,它會在表面聚集,形成一個個球形的小水滴,這種霧氣會阻礙我們的視線,甚至?xí)韲?yán)重的安全風(fēng)險。防霧劑可以將鏡片變成親水表面,這樣就可以克服水的表面張力,使它迅速在鏡面擴散成水膜而不是水滴,從而達(dá)到防霧目的。
防霧劑可以克服表面張力,帶來行駛安全
總結(jié):
支撐鋼針不沉入水底的,除了水的浮力外,更多的是水表面受壓而形成的表面張力。因為水分子之間4個氫鍵的作用,水分子間擁有更大的凝聚力,水也因此具有比許多液體更大的粘性,因此水可以提供的表面張力也更大。
不只是水,其它的流體,包括溶化的金屬也都存在表面張力,這是由流體內(nèi)部分子間的凝聚力決定的。
現(xiàn)在,你明白了吧?