生活中的表面张力

背景介绍

  科学无时不刻不在影响和改变着人们的生活，但是也因为其广泛性，人们经常忽视它的存在，未曾思考过背后蕴含的本质，例如：通过对荷叶的表面微纳米结构仿生，可以制作成防水和防油的衣服、不沾雨滴的车窗玻璃、不沾雪的天线、疏水的船用涂料等。通过研究水生小动物的运动，可以设计出微小的船舶。通过研究动物吸水、存水的机理，可以设计出“人工皮肤”或者特殊的装置来保证在干燥的沙漠中旅行时能够存储足够的水分。偶然间看到一个相关视频，感觉甚是奇妙，特此对相关资料进行总结归纳。

表面张力的应用实例

  表面张力是一种表面力，使得液体表面尽可能缩小，常常引起各种各样有趣的现象，例如：水黾在水面上自由的行走，清晨凝聚在叶片上的水滴、水龙头缓缓垂下的水滴，都是在表面张力的作用下形成的。

  Several insects are able to walk on water, such as the water strider. Their legs are formed to distribute their weight, causing the surface of the liquid to become depressed, minimizing the potential energy to create a balance of forces so that the strider can move across the surface of the water without breaking through the surface.

  When using a water dropper, the water does not flow in a continuous stream, but rather in a series of drops. The shape of the drops is caused by the surface tension of the water. The only reason the drop of water isn’t completely spherical is that the force of gravity pulling down on it. In the absence of gravity, the drop would minimize the surface area in order to minimize tension, which would result in a perfectly spherical shape.

  Even though the density of these objects is greater than water, the surface tension along the depression is enough to counteract the force of gravity pulling down on the metal object.

表面张力基本概念

  表面张力主要是因为表面两侧分子间作用力不同引起的，是一种最常见的表面力。通俗的来说，液体表面分子组成了一层薄膜，由于表面张力的作用，这层薄膜会产生绷紧的趋势，这种趋势会使薄膜的表面积或者表面能尽可能地减小，常常引起各种各样有趣的现象——瑞利失稳、虹吸现象、超疏水等。

  液体内部的一个分子在其四面八方都受到它相邻分子的作用力，整体处于受力平衡状态，然而对于液体表面上的分子来说，它们在一侧受到空气的作用力，在另一侧则受到液体内部分子的作用力（如下图所示）。

表面张力相关思考

1、 依靠表面张力浮在水面上的回形针与依靠浮力漂浮在水面上的瓶盖，处于稳定状态时为何处于不同的位置？

  答：表面张力的存在，使得碗边缘水面具有相应的变形（如下图所示），从图中可以看出，表面张力与回形针重力的合力不为零，因此，回形针逐渐向液面中间靠拢，最终位于液面中间位置（如下图2所示）。

  瓶盖依靠自身的浮力漂浮于水面上，直观上可以理解为水的密度大于瓶盖的等效密度，因此，系统为了最求最小的总势能，最终位于碗边缘位置。

  ps：在宏观尺度上，表面张力是一种比较微弱的力。例如我们计算一艘轮船所受的浮力时就没有必要考虑表面张力的影响，但是当物体的尺寸逐渐减小时，其所受到的表面力要远比体积力（如重力、电场力等）的影响大。

2、表面张力的影响因素？

  表面张力的方向与液面相切，并与液面的任何两部分分界线垂直。表面张力仅仅与液体的性质和温度有关。一般情况下，温度越高，表面张力就越小。另外杂质也会明显地改变液体的表面张力，比如洁净的水有很大的表面张力，而沾有肥皂液的水的表面张力就比较小。

不同温度下，水表面张力的大小