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主题:流体力学趣事-前言 -- 沐右

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家园 流体力学趣事-表面张力是什么(2)

今天,我们来做个实验。

表面张力的存在,使得一些不可思议的事情得以实现,比如说,把硬币浮在水面上。大家去旅游的时候,在一些寺庙名胜,往往会见到一个许愿池,旁边往往会有一些吉祥的话语,比如“沉下去是寿,飘起来是福”之类,这样鼓励大家往里面放硬币。偶尔有人能把硬币浮在水面上,大家都会觉得他运气好。大家都知道,硬币要比同体积的水重,因而把一个硬币放在水面上,如果考虑重力和浮力的话,它应该沉下去而不是浮起来。这是怎么回事呢?

我们先来做一个小实验:漂浮的针和硬币

需要:

一盆水(温度低一些会更好,表面张力大);

针、硬币(轻薄一些的比较好)、曲别针等等;塑料叉子(或者镊子、纸巾用来辅助);

肥皂水(洗洁精调出来的就好);

步骤:

将干燥的针或硬币等水平地放在叉子上,将叉子缓慢地沉入水中,针/硬币等就会漂浮在水面上,从旁边慢慢地将叉子移开;

可以多放几个进去观察,看什么样的物体可以伏在水面上;

最后,可以倒入一些肥皂水,观察表面张力改变之后漂浮的小物体怎么沉下去的。

演示视频:

[FLASH]http://www.youtube.com/v/BRNcPmkNG6k[/FLASH]

(请忽略背景的杂音)

把针放在水面上稍微有点困难,并不是每一次都能成功。针比水重,可是为什么针可以浮在水面上呢?从视频上大家应该可以看到,针两边的水面发生了弯折,从侧面看上去,水面应该是下面这样子的:

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通过水面的弯折,表面张力提供了一个向上的力,使得针或者硬币可以浮在水面上。这一点大家如果自己做实验的话应该可以看的更清晰,而且大家应该能拍出比下图更漂亮的照片。

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杯子里漂浮的曲别针

这些漂浮在水面上的物体之间有着相互作用。从视频里面我们可以看到,当硬币之间的距离比较远的时候,它们之间没有什么影响,当它们互相靠近的时候,就会互相吸引在一起。而在视频和上面的照片里面,漂浮的物体都不会粘在盆边或者杯子边上。这些相互作用和水面的形状有着密切的关系。

让我们以硬币为例分析下这里的物理原因。当两个硬币离的比较远的时候,每个硬币周围的水面都是平的,只有在硬币的周围水面才会有向下的弯曲。当两个硬币距离比较近的时候,它们互相靠近就能减小之间的水面的表面积,而这样就可以减少表面势能(表面张力),因此它们之间会有相互吸引的力。

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而在水面和盆或者杯子接触的地方,如果我们仔细去看,水面是向上弯折的。不同的材料和水接触的时候,它们倾向于形成的接触角度是不同的,这一点我们将会在以后仔细来说。这样,硬币和盆边水面向不同的方向弯折,把他们靠在一起将会增大水面的面积,这样会增加表面势能而不利于系统能量的最小化。所以,曲别针会喜欢呆在杯子的中央。

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其实,我们在日常生活中看到过很多这样子的例子。比如说,汤碗里面漂浮的油滴喜欢互相靠在一起,但是油滴并不喜欢靠在碗边上(这和油很多的时候碗边形成一圈油的情况要分开),这是因为油滴附近的水面被油滴压着向下弯折的。同样的,汤或者饮料表面的气泡也会互相靠在一起,而不是互相分离开来,而且碗里面的气泡会喜欢挨着碗边,这是因为气泡那的水面是向上弯折的(并且盖住整个气泡)。

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从瓶口看到的鲜橙多,感谢@Neil10分享图片。

最后,当我们把肥皂水倒入盆中的时候,大家可以看到,针和较重的一角硬币落了下来,而且仍然漂浮的一分硬币也变得没有之前稳定了。这是因为肥皂水改变了水的表面张力,使得水面能够提供的弹力变小了。

看了冗长拖沓的分析,你是否想自己动手试试呢?

通宝推:年青是福,

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