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為什麽鋼針會漂浮在水麵上?

來源:大寶搞笑秀 瀏覽 25 次 發布時間: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,為什麽鋼針會漂浮在水麵上?(別跟我計算什麽輪船的排水量,我說的是鋼針)

鋼針可以漂浮在水麵

如果你把幾枚鐵絲回形針、鋁製的硬幣(比重2.69g/cm³)小心翼翼地放在水麵,它們也一樣不會沉下去。

這似乎並不科學。

凯发K8国际手机网页知道計算浮力的公式是:F浮=G排。

也就是說,水對鋼針的浮力應等於鋼針排開水的重量。鋼針的密度是水的7.85倍,它排開水的重量遠遠小於鋼針本身的重量。因此鋼針應該下沉而不是浮在水麵上。

但鋼針、回形針和硬幣確確實實是浮在水麵,沒有下沉。一定有另一個力在支持它們,這個力是什麽呢?

漂在水麵的四枚回形針

這都是因為水的表麵存在一種力:表麵張力。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?

    

什麽是表麵張力?

表麵張力是流體表麵存在的可能收縮到最小表麵積的趨勢力;它是液體分子由於凝聚力相互吸引而在其表麵形成的內向力;它就像是一張覆蓋在液體表麵被拉伸的彈性薄膜,可以承受一定重量的外在壓力。

液體分子受力圖

為什麽水分子之間有這麽大的凝聚力呢?

這與水的分子結構有關。凯发K8国际手机网页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合而成。由於水分子是彎曲的分子結構,並且氧原子具有比氫原子更高的電負性,所以它是極性分子:氧原子帶有輕微的負電荷,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,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麵張力。

水分子之間通過氫鍵連接的3D模型

受到表麵張力的影響,水會趨向於將其表麵積收到最小,凯发K8国际手机网页知道在同樣體積下球體的表麵積最小,所以水滴會趨向於球體的形狀。如果有物體壓迫一個平的水麵,使水的表麵積增大,那麽表麵張力因為趨向於減小這個表麵積,它會向相反的方向提供一個推力。

水滴會趨向於球形

這是一個輸液管中水滴下落的視頻片段,凯发K8国际手机网页可以看到當上方的液滴落下時,它會受下方水麵表麵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時的表麵張力達到71.99 mN/m,這使得水的表麵有能力托起密度很大的物體,比如回形針、鋼針甚至硬幣。

漂浮在水麵鋼針的橫截麵受力圖

當凯发K8国际手机网页將鋼針放在放在水麵時,它的重量

F

w將水麵下壓

,如果水的表麵張力Fs與向下的力Fw保持平衡,鋼針就可以漂浮在水麵上。此時鋼針的重力Fw與表麵張力Fs的關係可以表示為:

表麵張力與重力的平衡關係

表麵張力的作用

說起水的表麵張力,有些人自然就想起武俠電影裏水上漂的輕功絕技。

輕功水上漂

明白的人都知道,那些不過是電影的蒙太奇,從科學的角度,人是不可能光腳踩著水麵健步如飛的。

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,有超過1200種動物已經進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麵行走如飛。

    

水黽

水黽的長腿表麵有許多極微小的絨毛,它一方麵為水黽腿提供了更大的表麵積,同時它又有疏水性,就像荷葉表麵一樣,它不會被水打濕。這樣,當水黽站在水麵時,它的幾條長腿下壓水麵,表麵張力使得水有將曲率最小化的趨勢,水麵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麵張力踩水疾行,這項技能往往使它能輕鬆擺脫捕食者的追擊。

平尾屋壁虎踩水疾行的連拍鏡頭

這種壁虎有大約6克重,相比於水黽來說它確實重多了,這似乎不具備利用水表麵張力的能力。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麵,壁虎在它身體下方製造一個空氣的空腔,這時候水的表麵張力會因為有恢複曲率最小化的趨勢,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動壁虎以1米/秒的速度在水麵飛奔。

壁虎踩水的動作分解

人類如何利用表麵張力?

愛喝酒的人經常喜歡用酒“掛杯”的情況來判斷酒的品質,其中就蘊含了表麵張力的原理。

“掛杯”又稱酒淚,有人據此判斷酒的品質

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。當凯发K8国际手机网页晃動酒杯時,酒會附著在酒杯的內壁上,酒精揮發速度快,留在杯壁的酒中醇的濃度降低,水的表麵張力增加,於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鬆手,酒精沒有揮發出去,就不那麽容易看到掛杯了。

人們製造防水的紡織麵料,並用它來製造雨傘或衣服,這樣雨水落在上麵會因表麵張力迅速聚集成水滴滾落,這給凯发K8国际手机网页的生活帶來了許多方便。

疏水的紡織麵料,使水滴凝聚並滾落

防霧劑則是截然相反的例子,人們發明它是為了克服表麵張力。當水氣遇到冷的玻璃或遊泳鏡時,它會在表麵聚集,形成一個個球形的小水滴,這種霧氣會阻礙凯发K8国际手机网页的視線,甚至會帶來嚴重的安全風險。防霧劑可以將鏡片變成親水表麵,這樣就可以克服水的表麵張力,使它迅速在鏡麵擴散成水膜而不是水滴,從而達到防霧目的。

防霧劑可以克服表麵張力,帶來行駛安全

總結:

支撐鋼針不沉入水底的,除了水的浮力外,更多的是水表麵受壓而形成的表麵張力。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麵張力也更大。

不隻是水,其它的流體,包括溶化的金屬也都存在表麵張力,這是由流體內部分子間的凝聚力決定的。

現在,你明白了吧?