要想知道答案,我们先得来了解另外一种常见的现象:当把一根非常细的玻璃管(也称毛细管)插入一杯水中时,会发现管中水的液面要比管外杯中高出不少。这就是毛细现象。在中学物理课上,我们学到了毛细现象来自于水与玻璃管的浸润作用与重力的博弈。由于水能浸润玻璃,或者说水与玻璃界面的表面能小于玻璃与空气界面的表面能,因此,表面张力能够提供一个向上的力。这个力的大小与水柱高度无关,与毛细管的半径成正比。
而毛细管内水柱所受的重力是由体积决定的,它显然应该与其截面积,也就是毛细管半径的平方成正比。当毛细管的半径减小时,浸润作用带来的升力和重力都会降低,但后者降低得更快。于是,当毛细管足够细时,浸润作用的力量可以轻松压倒重力,让管内液面升得很高。
通过简单推论即可得出:对于给定的液体和固体,毛细管内液面上升的高度与管的半径成反比。仍然以水和玻璃为例,计算表明,如果玻璃管的半径为2米,管内液面的上升只有肉眼难以察觉的7微米。但如果把管的半径减小到0.2毫米,管内液面可以比管外高出7厘米!也就是说,在越小的地方,毛细现象越是显著,这一点非常重要。
不过,仅用毛细现象还不足以解决头发的谜题,我们还需要加入弹性的因素。我们都知道,玻璃是具有很强刚性的固体,在外力作用下,即使碎裂也难以变形。然而像橡胶这样的固体则是另外一番面貌,它们遇到一点点外力就很容易发生明显的形状变化。这就是通常所说的弹性。
如果我们把观察毛细现象的玻璃管换成橡胶管,并且假定水仍然能够浸润管壁,接下来会发生什么呢?
首先,管内的液体在浸润作用的帮助下克服重力,使得液面比管外高出一截。但水分子还不满意,希望能够与橡胶进一步亲密接触。根据之前的分析,只要管子的半径减小,液面就可以进一步升高。于是,水分子就和橡胶管商量:你不是有弹性吗?麻烦你“收收腰”,让管子再变细一些,这样我不就可以和你更加充分地接触了嘛。橡胶觉得有道理,就照办了。于是,橡胶管的管壁向内凹陷,而管内的液面则进一步升高。
这种现象结合了毛细现象(也可用表面张力或表面能的概念等效替换)与弹性因素,因此被称为弹性毛细作用。
弹性毛细现象随着时间的推移,可以观察到弹性毛细管内液面慢慢上升,同时,管的半径减小。读到这里,聪明的读者可能已经领悟到,湿头发粘在一起正是弹性毛细作用的体现。头发也具有一定的弹性,因此,当水浸润相邻的若干根头发时,它会促使这些头发通过变形而彼此靠近。这种变形的幅度是如此之大,以至于最终头发之间只被非常薄的一层水膜隔开,看起来就像是聚在了一起。
当然,弹性毛细作用并不总是会带来如此惊人的效果。
我们都知道,不管什么样的材料,使之变形总是要费一番力气,像橡胶这样的材料,一旦外力消失,它们就会迅速回到原来的形状。这说明让物体变形对应着更高的能量。在弹性材料构成的毛细管中,液面的上升不但需要克服重力势能的增加,还必须应对变形造成的能量增加。如果需要固体变形的幅度太大,能量需求太高,浸润作用就会有心无力,液面的升高也就到此为止了。
好比说,湿头发再聚集也不过是一缕一缕的,不可能全部头发都变形汇聚到一起。