水的表面张力现象

生活中我们常常见到这样的现象：一杯装满水的玻璃杯，里面继续放入很多回形针，水不会从水杯溢出；将硬币用镊子轻轻放在一杯水的水面上，硬币没有下沉；水黾在池塘中行走而不会下沉。这些都跟水的表面张力有关，对于这种现象从物理角度我们应作何解释呢？

01 表面张力的微观解释

表面张力是使液体表面收缩的一种力，是表面层分子之间相互吸引产生的。分子间力称为范德华力，同时包含吸引力和排斥力。如图1所示，当液体不受外力时，内部分子间也处于平衡的不受力状态，即吸引力和排斥力相等（此时分子间距离为平衡距离R0），分子们间距离更近就体现出排斥力，分子间远离一点就体现出吸引力。

图1 分子间力与分子距离的关系

如图2所示，在液体内部，分子间间距在R0左右，分子间力为0。而在液体的表面层，分子比较稀疏，分子间的距离大于R0，因此分子间的作用表现为相互吸引。

图2 液体分子示意图

表面张力的方向：如图3所示，一荷叶上的液体，如果在液体表面任意画一条法线N，线两侧的液体之间的作用力是引力，它的作用是使液体表面绷紧，所以叫做液体的表面张力，方向与液面相切。

图3 表面张力的方向

02 浸润和不浸润

如图4是半个液滴的受力示意图，在液滴分子表面边缘周围产生的表面张力必须通过内部之间的压力差来平衡：

其中：σ 为表面张力；R 为液滴半径。

图4 液滴受力示意图

一般地，把不同分子之间的吸引力称为附着力，同种分子之间的吸引力称为内聚力。表面张力属于内聚力，而液体壁面与水接触时有附着力，当附着力大于液体的表面张力时，液体就会被固体壁面吸过去，这时体现为浸润（图5(a)）。如图5(a)，将毛细管插入水中，液面升起的高度h，高度可通过受力分析计算，水的重力与液面表面张力的竖直分量平衡：

其中：γ 为水的重度，指的是单位体积水的重量；θ为浸润角；R 为毛细管半径。

则液面升起的高度h：

相反当附着力小于液体的表面张力时，液体就会被内部液体吸回去，这时表现为不浸润。如图5，将毛细管插入水银中，会出现如图5(b)所示被压低的情形。

图5 浸润和不浸润

03 水黾能在水上自由行走的原因

水黾能在水面上行走，靠的是水的表面张力和水对它的脚不浸润。如图6所示，因为水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。

如图7，当水黾在水上行走时，自身重力与其所受到的表面张力平衡。

图6 水黾腿部结构

图7 水黾腿在液面上的受力