肥皂泡的大道理:表面張力

2020-12-16 中國數字科技館

（圖源：pixabay）

公園裡的小朋友吹起了一個大泡泡，陽光下的肥皂泡炫彩奪目；旁邊的音樂噴泉噴出水柱，紛揚的水滴剛好落在你的手掌。其實，在這些水的大秀幕後，有一位隱形而重要的魔術師——水的表面張力。

故事還要從19世紀的歐洲講起，那時的人們和你一樣，也喜歡七彩的肥皂泡。科學家們在擺弄肥皂泡的同時，也試圖揭開它背後的秘密，一位熱愛科學的女孩子做到了。她設置了這樣一個簡單的小實驗：把一塊紐扣大小的金屬片系在繩子上，並將它輕輕放在水面，並測量將金屬片從水面提起所需力的大小。神奇的事情發生了，從水面上提起金屬片，居然比從桌面上提起同一片金屬更費力。也就是說，水的表面對金屬有一種「吸引力」。這個吸力就是我們所說的水的表面張力。

張力只來自於水面上那薄薄的一層水分子，簡單來說，它是一種讓水分子更「團結」的凝聚力。如果我們把一杯水放大很多很多倍，你將看到上億個水分子。水分子天生很愛交朋友，會主動吸引四面八方的水分子。這樣的凝聚力來自一種特殊的化學作用力——氫鍵，它本質上是水分子中的氧原子對其他水分子中氫原子的吸引。但是，表面的水分子就不太一樣了。它們的上方不再有水分子，所以這種吸引力只能作用於下方和側方的小夥伴，最終導致的結果，就是把本應吸引上方水分子的力分給了自己側面的鄰居。就這樣，最表面的一層水分子更大力地手拉手，織成一張有彈性的網，更有力地束縛著下方的水，表面張力就這樣形成了。

正是表面張力的束縛，才有了水滴獨特的造型，讓你的眼淚有了像珍珠一樣的球形。此外，這張有彈性的薄膜讓一些輕小的昆蟲可以在水面上輕盈行走，仿佛「水上漂」一般。有一個利用表面張力的經典實驗，是讓曲別針浮在水面上。曲別針由金屬製成，密度大於水，如果你直接把它丟到水中，它一定會沉底。但假如你輕輕將曲別針放在水面上，不要破壞寧靜的水面，便會發現此時曲別針也能平穩地漂浮著。嚴格來說，這並不是漂浮，而是水的表面張力在託舉著曲別針。假如你擾動水面，破壞了表面張力，曲別針便會很快沉底。

說到這裡你可能會問，我們好像還是沒有揭開肥皂泡的秘密呀？肥皂泡的產生原理，正是在破壞水的表面張力。當你把水龍頭開得很大時，噴濺出的水有時會包裹著空氣，形成細小的氣泡。但這些氣泡一般很小，而且水膜的張力使它急於抱住其他水分子，氣泡很容易破。而肥皂或洗滌劑的本質是一種表面活性劑，它們廣交朋友，可以一隻手拽著空氣，另一隻手拽著水。表面活性劑的存在大大降低了水的表面張力，有了它們的參與，氣泡才能吹吹地更大也更持久。

參考資料：

1.https://www.usgs.gov/special-topic/water-science-school/science/surface-tension-and-water?qt-science_center_objects=0#qt-science_center_objects

2.「英」海倫 · 切爾斯基 《茶杯裡的風暴》 北京聯合出版公司

作者：比鄰星

審稿：張軒中（中國科普作家協會會員，中國物理學會會員）

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