小昆蟲為什麼能站在水面上?

科學人2018-10-05 12:23:19

有些小蟲子是能夠在水面上站立和行走的,比如題圖中的那樣。


金屬曲別針放在水裡會沉底,而如果把它小心翼翼地放在水面上,也可以讓它們漂浮在水面上:


這是為什麼呢?主要的原因其實就是它們的個頭夠小。當物體的尺寸小到一定程度之後,表面張力就會產生(相對而言)相當強大的效果。


表面張力是什麼?在一種均一的物質內部,分子在各個方向的受力也是比較平均的,但是在表面情況卻不同。就拿水和空氣的界面來說,處在最表面的水分子受力就不平均,內部水分子對它們的作用力大,而空氣中分子的作用力卻小得多,這樣一來,在表面上就產生了趨向於拉著表面回縮的力。


一個大個兒的物體可以在水和空氣的交界面上穿梭自如,但是一個個頭足夠小的物體卻比較容易被擋住,這其實是彎曲液麵搗的鬼。無論是從哪一面穿過,當物體想要穿過水和空氣的交界面時,液麵都會產生一定程度的彎曲,而表面張力會拉著液麵回縮,併產生一個阻止物體穿過的阻力。


這個圖中畫的是從水中到水面的過程,反過來也是類似的。在液麵彎曲時,表面張力所產生的這個附加阻力的大小與液麵的彎曲程度有關。對於大個的物體來說,液麵彎曲程度低,所以對應的力比較小,而小個頭的物體則要面對更彎曲的液麵和相對自己個頭而言更大的阻力。對於水來說,一個物體的直徑小到3毫米左右時,水面對它產生的阻礙作用就已經很明顯了。


對於上面說到的小昆蟲和曲別針而言,表面張力產生的這個力也是阻止它們穿過水麵的關鍵。


對於一些水中的浮游生物而言,如果不是速度足夠快的話,也很難衝破這道阻礙,反過來從水中到達空氣中。


這就是一隻遊不出水面的水蚤。


而如果想要衝出水面,得像下面這隻一樣做一個快速衝擊:


彎曲液麵的這種特性還和許多常見的現象有關係,比如毛細現象,其實就是被下凹的彎曲液麵“拉”著走的。這樣的作用力被稱為彎曲液麵的附加壓力。


雖然有一種複習物理化學的令人討厭的感覺,不過表面現象還是很有意思的,可以解釋很多生活現象,不知道我解釋得夠清楚嗎_(:з」∠)_


PS:還有另外一種涉及彎曲液麵的常見現象就是過熱液體,它在超過了沸點溫度之後仍然沒有沸騰,而在受到擾動時可能就會突然開始劇烈沸騰。之前稍微寫過一下這個,戳閱讀原文可以查看。


PPS:昨天忘了說,上週最受歡迎的文章是有關萊頓弗羅斯特現象的,回覆【液滴跳舞】可以查看。



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