一场酣畅的大雨过后,荷塘恢复了往日的平静。一颗颗水珠躺在荷叶上,享受着午后的阳光。一阵风吹来,荷叶微微摇动,水珠快活地在叶面上打滚……看似和谐的画面背后,竟是分子间亿万年的积怨,亦是永世难以消解的隔阂!这一切,都要从一个耳熟能详的名词说起,表面张力。
熟悉物理的朋友们一定很熟悉身边的力:重力、弹力、支持力、库仑力……每提到一个力的名字,脑海中大都可以浮现出一幅示意图,其中相互作用的两个物体之间你推我搡、你拉我扯。这样的理解虽然直观,但是缺少了几分更加深入的视角,也没办法真正理解什么是表面张力。那怎么办呢?我们来看看与力对应的能量(特指势能)。以重力为例,大家可能听说过重力势能,即某一地球附近的物体由于处于一定的高度而蕴含的能量。
更加直观地讲,如果以地面为势能零点,则物体在重力的作用下下落到地面所能释放的能量就是重力势能。
在微观世界存在着多种多样的分子,比如上图所示的氮气与水分子。分子间组成的体系的势能与分子间的距离有关。这种关系正如两个人之间的关系,远了近了都不好。如果距离太近,彼此之间没了自我空间,情绪会不稳定,因此会产生相互排斥的作用;如果距离太远,每个人都太孤独,便会相互思念,彼此吸引。当彼此的距离恰到好处,便对应着能量的最低点,较为稳定。
失重环境下的液滴正是呈现球形,因为在一定的体积下,球体的表面积最小,因此球形液滴的总表面积能最低。那么,在有重力的情况下呢?在液滴的表面,每个分子都会受到沿切线的表面张力,效果上相当于每个分子(如A和C)都在拉周围的分(如B)。B受到的周围表面分子的力的合力指向内部,有进入内部的趋势。这种张力的作用使得液滴尽可能维持着接近球形的状态,即拥有尽可能小的表面积。然而,重力起到另一种作用。