2013年4月16日 星期二

[流體力學趣事]表面張力是什麼?

參考文章網址:
http://songshuhui.net/archives/59644

平常喝水時,有時候會不小心倒太多,卻不會溢出杯子外,而從側面看,便會發現杯子上方是弧形,看起來就像是杯子上有一層膜包住水,看過這篇文章後,才發現是”表面張力”在作祟。

這篇文章在說明表面張力是什麼,最常用到表面張力的便是水,水是由水分子構成的,若將一杯水放大來看,會發現這些水分子聚集在一起,做著雜亂無章的運動,這種運動的強度由水的溫度決定,溫度越高,運動便越快。而如果我們把目光轉向水和空氣的介面上,事情就變得不一樣了:大量的空氣分子不停地撞擊介面附近的水分子,使得界面附近的水分子不像內部一樣緊密的結合,常常有水分子脫離而進入空氣中,也常常有空氣中的水分子融入水面中。所以,液體表面的分子含有的能量要比等量的內部分子高。

因為物理體系傾向於能量小的狀態,因此,如果其他的因素可以忽略,液體會傾向於最小的表面積。失重狀態下的液體可以形成球形的形狀就是這個原因。這個傾向使得液體的表面像橡皮膜一樣充滿彈性,如果在水面上畫一條線,那麼線的一邊對另外一邊 實際上有一個拉力,這個力被稱作表面張力。但這個力從日常生活中來看,其實是非常小的,水面上一公尺的距離,這個力差不多是舉起兩個雞蛋所花的力,但從較小的角度來看,表面張力便能起作用,文章中有放入兩個影片示意,第一個是將一個水球由上方丟到一個平面上,當碰撞到平面時,氣球周圍會起一層層波紋,這樣的現象與第二個影片所表現的水珠和荷葉相撞的情形類似,當水珠撞到荷葉上,就像是有一層膜將其包住,在日常生活中也時常出現關於表面張力的現象。

我照著文章上的步驟做了一個小實驗,先放一盆水,將迴紋針(因為家中沒有針,而用迴紋針代替)慢慢放進水中,但這很困難,成功的次數很少,不禁思索,既然迴紋針比水重,為什麼能浮在水面上?後來看了文章的講解才知道,以側面來看水應該是彎曲的,接近迴紋針的地方向下彎,通過水面的彎折,表面張力便提供了一個向上的力,使得迴紋針能浮在水面上。

而做實驗時,我也發現兩個迴紋針之間距離較近時會互相吸引,原來是因為漂浮在水面上的物體之間有著相互作用,當兩個迴紋針離的比較遠的時候,每個迴紋針周圍的水面都是平的,只有在迴紋針的周圍水面才會有向下的彎曲。當兩個迴紋針距離比較近的時候,它們互相靠近就能減少兩者之間水面的表面積,而這樣就可以減少表面張力,因此它們之間會有相互吸引的力。
其實每種材料使水彎曲的弧度都不同,水面上的物品接觸水的弧度和杯子周圍接觸水的弧度不同,把他們靠在一起將會增加水面的面積,這樣會增加表面張力而不利於系統能量的最小化。所以,迴紋針會喜歡呆在杯子的中央。

看完這篇文章後,不但解開了我心中的疑惑,還做了一個有趣的實驗,使我獲益良多。



以側面來看水應該是彎曲的,接近迴紋針的地方向下彎,通過水面的彎折,表面張力便提供了一個向上的力,使得迴紋針能浮在水面上。