水的表面现象-通识物理中的重要现象

表面张力会使液体的表面具有一定的收缩趋势，进而体现出一定的弹性特征。而水由于水分子间的引力较大（也就是表面张力系数较大），所以水就具有较大的表面张力，并因此而体现出较为明显的收缩和弹性特征，这在我们的日常生活中就有很多典型例子。

比如，从水的表面收缩性质看，我们在自然界中常常见到水滴会以球体的形态存在，就是因为在相同的体积条件下，球体具有最小的表面积；或者说，球体形态的水滴，由于具有较小的表面张力，所以相对更为稳定。当然，由于地球重力的影响，地面附近的水滴总会在竖直方向上被拉长，也就是我们常见的“下粗上尖”的雨滴形态。不过，如果是在失重的太空，由于水滴的形态不会受到重力的影响，我们甚至可以看到近乎完美球体的水滴，这就是水的表面张力的杰作。

也正是由于水面的收缩性质，使得水面充满了弹性，就好像鼓起的气球皮，任何落到水面的物体都会被弹起。利用高速摄像机拍摄一滴水落到水面的情形，我们可以更清楚地看到表面张力带给水面的弹性（请参考本书配套慕课视频）。不仅能直接弹起小物体，充满弹性的水面还像一张薄膜，能够拦阻即将溢出水面的水。比如，在一枚硬币上，我们用滴管将水一滴一滴地滴上去，将会看到：圆弧形的水面就像一张绷紧的网，被“网住”的水可以高出硬币很高的距离而不溢出。充满弹性的水面甚至还能直接托起一些轻小的物体，比如金属的大头针或者回形针，甚至是金属制成的硬币，都能在表面张力的作用下，轻松地漂浮在水面上，这都是表面张力的杰作。此外，一些小动物，比如水黾，也深谙大自然的神秘力量，利用水的表面张力还练起了“水上漂”的轻功；而大一些的动物，比如蜥蜴，则可以利用水的表面张力，在水面快速奔跑，轻松地摆脱天敌的追踪。(www.xing528.com)

正如我们在前面讲到的，如果某种液体具有较大的表面张力，其表面将是不稳定的，而任何系统总有自发向稳定状态转变的趋势，比如水的表面就具有自主收缩、减少表面积的趋势。而从表面张力的物理表达式（F=σl）看：一方面，减小液面分界线长度l，也就是减小液体表面积，就可以减小表面张力；另一方面，如果我们能减小表面张力系数σ，显然也可以同样达到减小表面张力的目的。而且，如果液体的表面张力系数极小，那液体本身的表面张力就会很小，液体表面也会较为稳定，从而使液体不必强烈地收缩表面来达到稳定状态。这时，液体表面就可以具有较大的表面积，从而可以实现吹泡泡等需要维持较大液体表面积的现象了。但是，我们究竟要怎样才能减小液体的表面张力系数呢？

我们已经知道：水分子间的引力较大，所以水就具有较大的表面张力系数，无法维持较大的表面积，因此是不能直接用来吹泡泡的。但如果我们在水中加入肥皂、洗衣粉、洗洁精等洗涤剂，就会使水的表面张力系数减小，从而使水可以维持较大的表面积并吹出泡泡。而这种能够减小水的表面张力系数的物质，就被统称为“表面活性剂”，其作用实质是减小水分子之间的引力；相反，能够增加水的表面张力系数（或者说增加水分子间引力）的物质，则叫作“表面惰性剂”。显然，正是表面活性剂解放了水的自由天性，让我们可以吹出五彩斑斓、逍遥飘逸的泡泡。不仅是吹泡泡，我们把一些用金属丝特制的网格模型沾上泡泡液，也可以看到：金属丝间的液膜不易破裂，可以呈现出一些我们平时看不到的奇特立体结构（请参考本书配套慕课视频）。如果采用一些表面张力系数极小的特殊活性溶液作为泡泡液，我们甚至可以将“吹泡泡”作为一个表演节目搬上舞台，展现出一些美轮美奂而又充满魔幻气息的泡泡艺术场景。