物理上的张力
在物理上,张力是什么呢?物理上的张力一般指表面张力,下面来讲讲。
表面张力主要是液体内分子之间的吸引力所导致的,也与其接触的气体、固体或液体的性质有关。
以水滴为例。水滴内部的彼此靠近的水分子之间存在吸引力,因此水滴内部的水分子在各个方向上都受到周围的分子吸引。当表面的水分子稍微向外移动一点时,它就会被附近的分子吸引回来。
因此,表面张力总是试图让液体分子聚集,从而导致液滴表面收缩,如下图所示。
张力沿着液体表面切向,对液面内经过某点处的一条线,张力是平行于表面,且垂直于该线的,如下图所示(注意:这里的那条线没画出,它垂直于屏幕)。
一般来说,张力的方向是指上述图中红色的箭头代表的方向,不是图中F所表示的方向!虽然张力形成的作用效果是F方向,但这不是张力直接作用的方向。
表面张力的强弱通常用参量γ来表示,它被定义为沿单位长度线的张力,故表面张力的测量单位为 SI 单位中的牛顿/米。不同表面的表面张力γ如下表所示。
当不存在竞争性外力时,由于张力,液体系统将使其表面积最小化。
液体表面的分子被侧面和底部的相邻分子吸引而发生收缩,导致液体表面具有最小表面积,这就是为什么液滴总是呈现球状的原因。
肥皂泡为什么都是球形的?也同样是张力导致的。
下面杯子的水面上悬浮了一枚硬币,按说硬币的密度比水的密度大,浮力不足以平衡其重力,但为什么硬币却能浮于水面呢?
无它,唯张力使之也!
解释很简单。
如下图所示,靠近悬浮物表面处的液体分子产生沿着切向的张力,这让你想起什么力?不就是绳子的弹力吗?所以悬浮物就相当于被无数根细线兜起来了,所以它被悬吊起来了。
一般将同种分子之间的吸引力叫做内聚力,而将不同分子之间的吸引力叫粘附力。显然,液体的表面张力就是内聚力导致的。
若液体分子处于某固体表面,液体分子同时还受固体表面分子的吸引作用,也就是除了内聚力之外,还产生了粘附力。
内聚力导致张力,它使液体表面收缩,而粘附力则相反,它使液体在固体表面铺开甚至渗透到其内部,这就是润湿,也叫浸润。内聚力和粘附力的竞争决定润湿程度。
液体和固体表面之间的接触角θ是润湿程度的量度。该角度越小,表面张力越小,则润湿程度越大,反之则湿润程度越小。如下图,自左至右,分别代表润湿的三种情况。
在玻璃上,水会散开,因为水对玻璃是浸润的;但水银在玻璃上会形成液滴而滚动,因为水银对玻璃是不浸润的,如下图所示。
而作为具有金属光泽的水银,它被倒在玻璃杯中的样子是这样的。
水对植物的叶子是否浸润,取决于叶子是否有蜡质层。当有蜡质层时,水对其是不浸润的,例如荷叶就是如此。但当没有蜡质层时,水会在叶子上铺开。
对于容器中的液体,会形成弯曲的液面。它可以是凸的或凹的。凹下液面表明液体分子对容器材料的吸引力(粘附力)比彼此之间的吸引力(内聚力)更强。凸起液面表明分子之间的吸引力比与容器材料之间的吸引力更强。
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