通识物理：水的表面张力形成与特殊引力状态的关系

相信本书的大多数读者，在小时候一定都玩过“吹泡泡”的游戏。我们也都知道用普通的自来水是不行的，只有在自来水中加入肥皂、洗衣粉等洗涤剂才能吹出美丽的泡泡，可这是为什么呢？其实，吹泡泡就与液体的“表面张力”有关，然而“表面张力”究竟是一种怎样的力呢？表面张力与肥皂、洗衣粉这些洗涤剂又有什么关系呢？接下来，带着这些问题，我们就一起来揭开表面张力的神秘面纱吧。

首先，我们需要了解一些有关液体的基本性质。在这里，我们以生活中最为常见的液体——“水”为例。众所周知，水是由大量自由水分子所组成的一种液体，水分子之间的距离相对较远，分子间的相互作用以引力为主，所以“水分子间的引力”对水的表面性质起到了决定性的作用。可以设想：如果表面的水分子受到较小的内部引力，表面的水分子就很容易离开水面；但如果表面水分子受到较大的内部引力，表面的水分子就会具有向内部“钻”以及向内部“抱紧”的趋势。而水的表面张力的形成，就与处在表面薄层的水分子所受到的特殊引力状态密切相关。

表面张力的基本原理如图4.1 所示：处于内部的水分子，由于周围环境较为对称，所以受到的引力合力近似为零，处于相对稳定的状态；但对于水体表面的薄层水分子，由于来自上方的空气分子引力远小于来自水体内部的水分子引力，所以表面的每个水分子都近似只会受到来自侧面和内部的分子引力。这种引力使得表面水分子好像手拉手一样，通过分子间的相互拉扯力表现出一种宏观的表面弹性。而在这个表面拉扯力的作用下，水的表层就好像紧绷的、具有弹性的气球胶皮，总有向内收缩和减小表面的趋势。比如，我们松开气球的充气口，气球的胶皮就会快速收缩表面，这种收缩力不仅会使气球里的空气快速排出，还使气球的胶皮最终具有最小的表面积。同样的道理，液体的表面所体现出的这种类似气球胶皮，能使液体表面积缩小的拉扯力，就叫作液体的“表面张力”。

图4.1　水的表面张力原理示意图(www.xing528.com)

当然，以上表述都只是有关水的表面张力的通俗理解，而液体的“表面张力”在物理上的标准定义是：“液体表面任意相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力。”其数学表达式为：

其中，F 是液体的表面张力，σ 是液体的表面张力系数，而l 则是液体表面任意相邻部分之间的连线长度。根据表面张力的物理定义，其实质就是表面水分子之间的相互拉扯力，这个力在方向上垂直于相邻部分液体表面的分界线，其大小则与分界线的长度以及液体本身的性质有关。由于表面张力的产生是“表面分子引力不均衡”的结果，所以表面张力也是液体表面不稳定性质的直接体现。正是这种不稳定性，使得液体表面总有减小相邻表面分界线的趋势，也就是尽量缩小表面积，以保持液面的稳定性。