失重环境下的水滴会形成标准的圆球,为什么?因为有表面张力


失重环境下的水滴会形成标准的圆球,为什么?因为有表面张力


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失重环境下的水滴会形成标准的圆球,为什么?因为有表面张力


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失重环境下的水滴会形成标准的圆球,为什么?因为有表面张力


晨起叶片上的露珠会形成温润的半球体 , 而失重环境下的水滴则会形成一个完美的圆球 , 这是为什么呢?
听起来这个问题好像十分简单 , 半球体的露珠是因为重力的作用 , 而完美的球形水滴则是因为没有重力的影响 , 的确如此 , 但问题是 , 为什么有重力作用就一定形成半球 , 而失重环境下就一定形成圆球呢?它们为什么不能形成三角形、正方形 , 又或者是梯形呢?如果说这些形状过于诡异 , 那么椭球体呢?失重环境下的水滴为什么不能形成椭球体 , 而非是一个标准的圆球呢?这一切都源于四个字 , 那就是“表面张力” 。 在生活中我们经常会听到表面张力这个词 , 但对于表面张力到底是什么 , 可能就不那么清楚了 。

要弄清楚表面张力到底是什么 , 首先就得先弄清楚什么是表面 。
物理学上所讲的“表面”与我们生活中所说的“表面”是有一定区别的 。 自日常生活中 , 任何物体面我们都称之为“表面” , 这与该物体是处于何种环境之中并无关系 , 但物理学上所讲的表面就有所不同了 , 物理学上所说的表面指的是“凝聚相”与气体或真空之间的分界面 。 在自然界之中处于凝聚态的物质有很多 , 而我们最为熟悉的凝聚态就是通常所说的液态和固态 , 所以在这里我们也可以把凝聚相简单地理解为固相和液相 。 以叶片上的露珠为例 , 它与空气相接触的就是它的表面 。

物理学上除了有“表面”的概念之外 , 还有“界面”的概念 , 所谓界面就是凝聚相与凝聚相之间的分界面 。
可见 , 表面就是固体或液体与空气或真空相接触的面 , 而界面就是固体或液体与其它固体或液体相接触面 。 明确了表面与界面 , 接下来就该说说表面能与界面能了 。 物体的表面是具有能量的 , 为什么呢?让我们想一想 , 在一个水滴的内部 , 水分子是均匀分布的 , 每一个水分子都被其它水分子所包围 , 但是在这个水滴的表面 , 情况就有所不同了 , 在水分子与空气或真空接触的地方 , 外面并没有其它的水分子 , 也就是说在接触面上几乎没有任何作用力 。

表面之外没有作用力 , 这使得表面的水分子变得更加活跃 , 于是就产生了能量 , 这股能量就被我们称之为表面能 。
表面能是从何而来的呢?是致使表面产生的力所赋予的 。 比如 , 我们要将一滴水分成两滴水 , 就必须要给它一个力 , 比如弹它一下 , 弹完之后 , 水滴一分为二 , 表面积增加了 , 而我们弹的这股力就成为了新增表面的表面能 。 如果我们要将一根铁棍一分为二 , 显然要比将水一分为二花费更大的力气 , 所以铁的表面能要远超水滴 。 表面有表面能 , 界面自然也有界面能 , 只不过对于界面而言 , 两种物质的差异越大 , 那么界面能也就越大 。

弄懂了什么是表面 , 接下来就要说说表面张力了 。
现在先让我们回到最开始的问题上来 , 为什么叶片上的露珠呈半球体 , 而失重环境下的水滴呈现出完美的球形?因为无论是半球体 , 还是球体 , 它们都是一种表面积最小的形状 , 因为在体积相同的情况下 , 球体的表面积是所有形状中最小的 。 为什么要保证表面积最小?因为在自然界之中 , 所有的物质都要遵循“最小能量原理” , 所谓最小能量原理指的就是物质必须要以最小能量的状态存在 。 很显然 , 表面能与表面积是正相关的 , 表面积越大 , 表面就越大 , 所以要遵循最小能量原理就必须要使表面积保持最小形态 , 于是水滴就变成了个完美的球体 。

水滴要变成一个完美的球体 , 而要想变成一个完美的球体就必须依靠一个作用在表面上的力 , 这个力就是“表面张力” 。
【失重环境下的水滴会形成标准的圆球,为什么?因为有表面张力】

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