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怎么吹更自在,神奇的表面关昊

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-07-27 13:26

膜在生活中可是见得太多了,大家对膜都非常熟悉,水滴表面、肥皂泡等都是常见的“膜”。但是你了解膜背后的理论吗?今天,我们就一起来提高姿势水平,学习一下“膜”的力量——表面张力。

在日常生活中,我们对见到的一些现象可能已经习以为常,认为它们理应如此,但是为什么会这样,就没有过多地去想了。比如,下过雨后,我们可以见到树叶、草上的小水珠都接近于球形;不小心打碎了体温计后,里面的水银掉到地上,小水银滴也呈球形。另外我们也可以表演一个小魔术,在一杯水里,小心地把一枚针水平放置在水面上,针浮在水面上而不沉于杯,并且在针下面的水面上形成一个凹面。如果做得相当熟练,你甚至可以用钮扣、小巧的平面形金属或硬币来代替针。所有这些现象都与表面张力有关。

在日常生活中,我们对见到的一些现象可能已经习以为常,认为它们理应如此,但是为什么会这样,就没有过多地去想了。比如,下过雨后,我们可以见到树叶、草上的小水珠都接近于球形;不小心打碎了体温计后,里面的水银掉到地上,小水银滴也呈球形。另外我们也可以表演一个小魔术,在一杯水里,小心地把一枚针水平放置在水面上,针浮在水面上而不沉于杯,并且在针下面的水面上形成一个凹面。如果做得相当熟练,你甚至可以用钮扣、小巧的平面形金属或硬币来代替针。所有这些现象都与表面张力有关。

洗完澡后想看看自己吹弹可破的肌肤?

吹肥皂泡是人们再熟悉不过的童年游戏了,伴随着一阵阵欢笑,孩子们撅起的小嘴吹出一个接一个轻灵的肥皂泡,阳光下五颜六色的泡泡随风飘散。这样熟悉的场景,是否也会勾起你的美好回忆?

首先,什么是表面张力?

要解释表面张力,我们首先要走进微观世界,看看那些液体分子之间是如何互动的:

图片 1

现在我们选一个处于液体内部的水分子,对,就你,最萌的那个:

图片 2

因为无论往哪个方向看,看到的都是相同密度的水分子,所以吸引力和压强对于它来说都是平衡的。

现在,让我们把上半部分的水换成空气:

图片 3

假设上下两部分的压强相同(压强不同的情况将在第二节介绍),由于空气对水分子的吸引力小于水分子之间的吸引力,所以位于表面的水分子会受到指向液体内部的力,一部分水分子被拉进液体内部,表面层的水分子开始变稀疏,直到吸引力减弱到和空气接近时趋于平衡。表面层水分子的间距大于 r0 ,因此吸引力占上风:

图片 4

表面张力就是液体表面层水分子之间的吸引力(不是垂直于表面把水分子往里拉的那个力)。这个力使液体表面像一个绷紧的橡皮膜,表面张力系数 σ 的第一种定义就是:作用在液面单位长度上的张力的大小,单位为N/m。

图片 5具有“橡皮膜”一般特性的肥皂水液膜。戳破一边后,另一边在表面张力的作用下迅速回缩。录制者:Jubobroff

垂直于液面的拉力使表面的水分子具有了势能,称为表面自由能(不引起混淆时可简称为表面能)。当你克服表面张力扩大液体的表面积时,实际上是做功提升一部分原本位于内部的水分子来到表面(相应的,缩小表面积可对外做功),这样就有了表面张力系数 σ 的第二种定义:单位面积的表面能,单位 J/m2

这两种定义是等价的,以下我们既可以通过分析表面张力得出结论,也可以通过液体“希望”自己表面能最小的角度得出相同的结论。

那么,什么是表面张力呢?原来液体与气体相接触时,会形成一个表面层,在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力,它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面层中的分子比液体内部稀疏,所以它们受到指向液体内部的力的作用,使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜,有收缩趋势,从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。我们知道,球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体。因此,在表面张力的作用下,液滴总是力图保持球形,这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。

那么,什么是表面张力呢?原来液体与气体相接触时,会形成一个表面层,在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力,它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面层中的分子比液体内部稀疏,所以它们受到指向液体内部的力的作用,使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜,有收缩趋势,从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。我们知道,球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体。因此,在表面张力的作用下,液滴总是力图保持球形,这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。

结果一回头除了一片雾什么都看不清。

吹泡泡的过程能体现很多物理学规律,比如说表面张力的作用,但是这个人们无比熟悉的现象,之前却没有得到过量化的物理学研究。吹起一个泡泡,到底要用多大力气?现在,来自法国的几位物理学家为了我们揭开了这个问题的答案。他们在实验室里搭建起仪器,在严格控制变量的条件下对吹泡泡的过程进行了一番详细研究,并且头一次为它建起了数学模型,还把结果写成论文,发表在了2月19日的《物理评论快报》(Physics Review Letter)上[1]。这篇论文也道出了轻松吹泡泡的秘诀:用粗管子吹,或者说,选一个面积大一点的工具形成液膜。

膜为什么这样弯

如果界面两侧有气压差,膜就会弯曲以平衡气压差,气压高的一侧会使膜向气压低的一侧凸出,这就是吹泡泡的原理。

什么,你说吹泡泡的原理谁不知道?那请你解释一下,当一大一小两个肥皂泡被管道连通时,为什么是小泡泡把气吹进了大泡泡里?

图片 6​录制者:vulgarisation

这个现象用表面能解释比较容易:在表面张力系数不变的情况下,合并成一个大泡泡的表面积比两个小泡的总表面积小。如果要从力的角度来解释,需要推导弯曲界面两侧的压强差(杨-拉普拉斯公式)。在这里给出一个比较简单的推导方式:

图片 7假设膜在x的方向弯曲,曲率半径为 r,作用在一个微小的长度 dy 上的表面张力 F=σdy ,sinθ≈dx/r ,指向球内的合力为 Fsinθ=σdxdy/r (没有乘2是因为每条边的力被相邻两个面元共用),这一力由压强差平衡,除以面积 dxdy 得压强差为 σ/r 。对于球面x和y方向都弯,故球内压强比球外大 2σ/r (对于肥皂泡因为有两层界面还要再乘2)。

大概意思就是,这个膜弯曲得越厉害,合力向下的分量就越大,说明压强差越大。因此,在外部气压相同的情况下,半径越小的泡反而意味着更大的内部压强,使空气从小泡泡流向大泡泡。

而当半径为零的时候,则需要无穷大的压强差。这个结论看似没什么用(因为实际的膜肯定有一定厚度),但是如果是从纯净的水中凭空产生一个气泡(或者从纯净的蒸气中凝结一个水滴),这一性质的确会阻碍气泡(或水滴)的产生,这就是超纯净的水可以高于沸点也不沸腾的原因。但只要存在哪怕一点点的小杂质,就会打破无穷大压强差的需求而立刻产生气泡,气泡室便是基于此原理来探测微小粒子的。

图片 8相应的,过冷蒸气低于凝结点也不凝结,基于此原理可以制成让带电粒子现形的云室。更多阅读:高考动图:物理篇

怎么吹更自在,神奇的表面关昊。表面张力的方向与液面相切,并与液面的任何两部分分界线垂直。表面张力仅仅与液体的性质和温度有关。一般情况下,温度越高,表面张力就越小。另外杂质也会明显地改变液体的表面张力,比如洁净的水有很大的表面张力,而沾有肥皂液的水的表面张力就比较小,也就是说,洁净水表面具有更大的收缩趋势。

表面张力的方向与液面相切,并与液面的任何两部分分界线垂直。表面张力仅仅与液体的性质和温度有关。一般情况下,温度越高,表面张力就越小。另外杂质也会明显地改变液体的表面张力,比如洁净的水有很大的表面张力,而沾有肥皂液的水的表面张力就比较小,也就是说,洁净水表面具有更大的收缩趋势。

即使一时半会擦干净了,过一会儿它竟然又“死雾复燃”。

图片 9图片来自:shutterstock

搞个大泡泡——怎么断了?

我想吹个大泡泡,可是为什么一拉长就容易断呢?

图片 10录制者:ExtremeBubblesInc

这一现象称为普拉托-瑞利不稳定性(Plateau–Rayleigh instability)。我们在柱状界面上加一个波长为 λ 的扰动,横截面上的曲率变化 rx 是促进柱的分裂的,但纵截面上 ry 的曲率变化会阻碍分裂,后者的效应随 λ 变长而减弱。

图片 11

定量的结论是,波长大于柱径的扰动会不断放大,导致柱面断裂。不仅长泡泡容易断开,原本连续的细水流在下落中也很容易在扰动之下断裂,形成一系列小水滴。有很多人研究这个现象,不过不是为了吹泡泡,而是为了设计喷墨打印机。

图片 12从水龙头流出的水柱(拍摄者:LePtC)

图片 13

不光液体与气体之间的表面层,液体与固体器壁之间也存在着“表面层”,这一液体薄层通常叫做附着层,它也一样存在着表面张力。这一表面张力决定了液体和固体接触时,会出现两种现象:不浸润和浸润现象。水银掉到玻璃上,是呈现出球形,也就是说,水银与玻璃的接触面具有收缩趋势,这种现象为不浸润。而水滴掉到玻璃上,是慢慢地沿玻璃散开,接触面有扩大趋势,这种现象为浸润。水银虽然不能浸润玻璃,但是用稀硫酸把锌板擦干净后,再在板上滴上水银,我们将会看到,水银慢慢地沿锌板散开,而不再呈球形。所以说,同一种液体能够浸润某些固体,而不能浸润另一些固体。水银能浸润锌,而不能浸润玻璃;水能浸润玻璃,而不能浸润石蜡。

不光液体与气体之间的表面层,液体与固体器壁之间也存在着“表面层”,这一液体薄层通常叫做附着层,它也一样存在着表面张力。这一表面张力决定了液体和固体接触时,会出现两种现象:不浸润和浸润现象。水银掉到玻璃上,是呈现出球形,也就是说,水银与玻璃的接触面具有收缩趋势,这种现象为不浸润。而水滴掉到玻璃上,是慢慢地沿玻璃散开,接触面有扩大趋势,这种现象为浸润。水银虽然不能浸润玻璃,但是用稀硫酸把锌板擦干净后,再在板上滴上水银,我们将会看到,水银慢慢地沿锌板散开,而不再呈球形。所以说,同一种液体能够浸润某些固体,而不能浸润另一些固体。水银能浸润锌,而不能浸润玻璃;水能浸润玻璃,而不能浸润石蜡。

镜子起雾和眼镜起雾、车窗起雾并列堪称困扰当代人的三大“起雾”难题。但有人会注意到,一些地方的镜子在洗完澡后依旧光洁。

物理学家的泡泡机

肥皂泡只要抄起泡泡水和吹管就能吹出来,但搞科研可没这么简单。用嘴吹泡泡很难保证气流均匀,肥皂泡膜的厚度不容易保持稳定,这变量要是控制不好,还怎么愉快地做实验?所以,研究者们要做的第一件事就是搭起一台足够精准稳定的吹泡泡机。

为了让肥皂泡膜保持稳定,研究者在产生肥皂膜的装置顶端安装了一台微型泵,从而使肥皂膜中的液体保持循环流动。通过对泵的调节,既可以使肥皂膜长期保持稳定,又可以根据需要调整肥皂膜的厚度,可谓一举两得。通过这套装置可以产生一个垂直于地面方向,宽度与高度可调节,并且最高可超过1米的大型肥皂膜。

图片 14研究者设计制造的肥皂膜研究设备,图片来自原论文

肥皂膜稳定性的问题解决了,下一步就是通过控制气流的流速吹肥皂泡了。研究者紧贴着肥皂膜的表面放置了一个圆形的喷管向液膜吹气,并架好高速摄像仪,记录下整个过程。

亲水,疏水,接触角

在气体和液体之外,现在我们再加入新的角色——固体表面。玻璃的表面对水分子非常有吸引力(虽然玻璃的主要成分是二氧化硅,但它的表面通常会因为价态不饱和而结合很多羟基)。如果水滴碰到的界面是玻璃,就会出现跟空气相反的情况:接触面的水分子比平衡时更挤,表面张力是扩张的,表面能是负的,整坨水滴会希望自己跟玻璃的接触面积越大越好(同时跟空气接触面积越小越好),形成特定的接触角 θ 。这个角越小,意味着固体表面的亲水性越强。

图片 15

亲水性就是处女座的噩梦:水甩不干净,倒水的时候贴壁洒出来等等:

图片 16恼人的茶壶效应。图片来自一篇得过搞笑诺奖的论文。

这时就需要疏水性来拯救世界了。水分子除了对空气分子不感兴趣外,对非极性的烃、油、脂类都不是很感兴趣,此外将表面变粗糙也可增大表观接触角(Cassie's law)。雨具,自洁玻璃,以及阻止随地小便的涂层都用到了疏水材料(更多阅读:酷炫动图(二十七):水桑,你走开!) 。

图片 17疏水的材料甚至能被水面托住——如果表面的“膜”没有被破坏的话。录制者:Grant Thompson - "The King of Random"

浸润和不浸润两种现象,决定了液体与固体器壁接触处形成两种不同形状:凹形和凸形。

浸润和不浸润两种现象,决定了液体与固体器壁接触处形成两种不同形状:凹形和凸形。

那为什么不起雾的都是别人家的镜子,自家的镜子却如此不给力呢?在解决这个问题之前,我们得明白镜子起雾的原因。

气流与表面张力的“拉锯战”

研究者们发现,当气体流速较低时,液膜只会微微地凹陷,并不会产生气泡。随着气体流速的不断提高,凹陷会不断加深,在达到临界值之后,圆圆的气泡就能脱离液膜飞走了。

图片 18

图片 19气流速度未达到临界值(上)和达到临界值后(下)。原视频来自论文

而这个气流速度临界值的大小,则完全取决于吹管的尺寸:用粗管子吹,只需要较慢的气流就够了,而较细管子就需要更急促的气流才能吹得起来。至于液膜厚度和所用气体的种类,则不会对临界值造成影响。

这背后的物理原理是什么呢?其实,吹泡泡的过程就是表面张力与气流压力之间的一场“拉锯战”。

在吹气泡时,液膜上会首先形成凹陷,这也就意味着局部的液膜表面变弯了(曲率变大)。液膜的表面张力为了抗拒曲率变大,会像被拉开的弹簧一样,竭力把液膜拉回到初始的平滑状态。此时,唯一施加的外力——吹气产生的气流压力,在这一过程中就扮演了重要的角色。

研究者解释说,吹肥皂泡实际上就是气体施加的压力与液膜表面张力之间的竞争。当气流施加的压力增大到足以使液膜凹陷为半球状,并且半球的直径与喷管的直径相同时,此时,曲率半径达到最大,凹陷的液膜将挣脱表面张力的束缚,形成完整的肥皂泡脱离液膜。这一刻,就是我们童年时光吹出肥皂泡时欢乐的瞬间。

为了与现实更加贴近,研究者们还对喷嘴与液膜不同距离、以及管径与液膜宽度不同比例下的情形进行了研究。发现当气流的宽度大于液膜宽度时,吹出气泡时的气流临界速度只由液膜的宽度所决定。也就是说,当我们离起泡杆较远时吹气,起泡杆的面积越大,越容易吹出泡泡;面积越小,则难度越大。

研究出肥皂泡背后的形成机制,将帮助人们更好地理解并解决某些工业过程中遇到的问题,例如发泡产品的生产、玻璃制造以及液体涂料的使用等。当然,作为人们日常生活中最寻常的一个经验,了解吹肥皂泡背后的物理机制本身也足以让人们的好奇心得到满足了。(编辑:窗敲雨)

表面张力的作用在不同的“弯曲度”可以产生相当不同的影响,在浮游生物:游得够快,才能做“出水芙蓉”一文中可以看到另一个典型的例子。

文章题图:shutterstock 友情提供

零重力饮水杯

如果水滴遇到的亲水材料不是平面而是细管或狭缝的话,就会看到毛细现象。

讲到这里,我们已经有三种方法来解释这个现象了:① 水想增加自己跟玻璃管内壁的接触面积,直到表面能的消耗不足以补偿重力势能;② 固液接触面的负张力把液体向上拉;③ 凹液面会降低液体内的压强,从而外部气压把液体压上来。三种方法都能推导出相同的结论,下图中给出了第一种推法。

图片 20

(利用毛细现象能做出永动机吗?当然并不能。关于这个问题在这篇松鼠会文章中已有讲解。)

由公式可见,g=0 时 h=∞,失重环境下液体会无限上升,直到占满整个玻璃管为止。实际上不一定非要是封闭的吸管,做一个尖锐的棱也可以让液体无限上升:

图片 21这是一段国际空间站上进行的演示,原视频来自:collectSPACE。完整视频及解说搬运在此

如图,当角 φ < 90° - 接触角 θ 时,形成的液面是凹的,可降低缝内的压强,所以外部气压会把液体压进棱里。

图片 22

利用这种构造,NASA发明出了可以在零重力环境使用的咖啡杯。在毛细现象的作用下,液体不会乱跑,还能自动送到人们嘴边。如今,最新款的杯子长这样:

图片 23

图片 24宇航员Kjell Lindgren的试喝画面。

这款杯子是用 3D 打印制造的。想要一个?制作它的公司在kickstarter上给原版杯子开出了1500美刀的价格……用模具生产玻璃版倒是成本会下降很多,只要35美元——然而,这项众筹并没有成功……(嗯,我选择继续嘬吸管……)

其实,类似的现象在地球上也能观察到——那些袋装辣条之类的小零食,袋口处总是有很多油(此处要感谢吃货 @donizyo 的提议)。经实验,塑料袋虽然对水不怎么亲,但对油的亲和力很强:

图片 25油滴(左)与水滴(右)在塑料袋上形成的接触角。拍摄者:LePtC

实验用的是集邮迷你塑料袋,水注入袋子后鼓成一个馒头形,完全没有上升的意愿。

图片 26自来水注入塑料袋。拍摄者:LePtC

换成油之后惊了,这货跑得比谁都快,即使把袋口撑得很开,也依然有油一路爬升到袋口:

图片 27

图片 28食用油注入塑料袋。拍摄者:LePtC

NASA的初代零重力杯子诞生于2008年,他们这么晚才发明出这玩意儿,一定是因为外国没有辣条……

(文中漫画及示意图均为作者制图。编辑:窗敲雨)

文章题图:在太空中享用咖啡的宇航员Samantha Cristoforetti,图片来自她的推特账号。

现在我们就明白了前面介绍的小魔术中,硬币不沉没的原因了,它实际上利用了水具有很大的表面张力的性质和不浸润现象。如果我们事先把硬币表面涂上一层油,硬币就可以轻易放在水面上而不会沉没。在工程技术和日常生活中,人们经常利用水不溶解油这一特性。像在纸伞上涂油漆做成雨伞;给金属器材涂机油,防止因水引起生锈;甚至在选矿方法中,也用到水不浸润涂了油的物体的性质。浮选矿法就是把砸碎的矿石放到池中,池里放上水和只浸润有用矿物的油,使它们涂上薄薄一层油,再向池中输送空气,这样气泡就附在有用矿物粒上,把它们带到水面,而与岩石等杂质分离开。

现在我们就明白了前面介绍的小魔术中,硬币不沉没的原因了,它实际上利用了水具有很大的表面张力的性质和不浸润现象。如果我们事先把硬币表面涂上一层油,硬币就可以轻易放在水面上而不会沉没。在工程技术和日常生活中,人们经常利用水不溶解油这一特性。像在纸伞上涂油漆做成雨伞;给金属器材涂机油,防止因水引起生锈;甚至在选矿方法中,也用到水不浸润涂了油的物体的性质。浮选矿法就是把砸碎的矿石放到池中,池里放上水和只浸润有用矿物的油,使它们涂上薄薄一层油,再向池中输送空气,这样气泡就附在有用矿物粒上,把它们带到水面,而与岩石等杂质分离开。

图片 29图 | giphy" style="width:60%;margin:1rem auto">

参考资料:

  1. Louis Salkin, Alexandre Schmit, Pascal Panizza, and Laurent Courbin. Generating Soap Bubbles by Blowing on Soap Films. Phys. Rev. Lett. 116, 077801 – Published 19 February 2016

表面张力产生的一个重要现象是毛细现象。也就是说浸润液体在细管里上升,不浸润液体在管里下降。我们可以很容易做一个小试验来观察这种现象。把细玻璃管放入盛水的槽中,这时水很快从细玻璃管中上升,管中的水平面比水槽中水平面还要高,管子越细,上升越高,并且管中水面是凹形的。若水槽中放的是水银,情况则恰恰相反,管中液面低于水槽中水银的平面。

表面张力产生的一个重要现象是毛细现象。也就是说浸润液体在细管里上升,不浸润液体在管里下降。我们可以很容易做一个小试验来观察这种现象。把细玻璃管放入盛水的槽中,这时水很快从细玻璃管中上升,管中的水平面比水槽中水平面还要高,管子越细,上升越高,并且管中水面是凹形的。若水槽中放的是水银,情况则恰恰相反,管中液面低于水槽中水银的平面。

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浸润液体为什么能在毛细管中上升呢?原来,浸润液体与毛细管内壁接触时,引起液面凹形,而表面张力是沿着液面切向作用的,所以沿着管壁作用的表面张力形成一个向上的合力,使得管内液体上升,直到表面张力的向上拉引作用和管内升高的液柱重量相等为止。同样的道理,对不浸润液体,毛细管壁的表面张力的合力方向向下,使管内液体下降。

浸润液体为什么能在毛细管中上升呢?原来,浸润液体与毛细管内壁接触时,引起液面凹形,而表面张力是沿着液面切向作用的,所以沿着管壁作用的表面张力形成一个向上的合力,使得管内液体上升,直到表面张力的向上拉引作用和管内升高的液柱重量相等为止。同样的道理,对不浸润液体,毛细管壁的表面张力的合力方向向下,使管内液体下降。

镜子之所以会起雾,是因为洗澡时,空气中有大量高于室内温度的水蒸气。这些水蒸气飘啊飘啊,来到浴室镜子处。此时镜面温度比水蒸气温度低,水蒸气好比遇到避暑胜地,迅速冷凝析出小水珠。这些粘附于镜面的小水珠,就像一个个小透镜,使光线发生折射和反射,从而降低镜子的清晰度,影响视线。

我们平常所见到的用毛巾擦汗、粉笔吸干纸上墨水等现象都可用毛细现象来说明,毛巾、棉花、粉笔、土壤等物体,内部有许多小细孔,起着毛细管作用。在酒精中,用棉线作灯芯,可以使酒精沿灯芯上升;而若用丝线来作灯芯,可能点不着酒精灯。这是因为酒精不能浸润丝线,在丝线灯芯中酒精是下降的。

我们平常所见到的用毛巾擦汗、粉笔吸干纸上墨水等现象都可用毛细现象来说明,毛巾、棉花、粉笔、土壤等物体,内部有许多小细孔,起着毛细管作用。在酒精中,用棉线作灯芯,可以使酒精沿灯芯上升;而若用丝线来作灯芯,可能点不着酒精灯。这是因为酒精不能浸润丝线,在丝线灯芯中酒精是下降的。

但是,有些酒店的镜子在洗完澡时却不会起雾,这背后确实有小把戏——在镜子后面安装加热装置。这使得镜子温度升高,当镜子温度高过周围水蒸气的凝结点,水蒸气就不会在镜面凝结,镜子也就不会朦朦胧胧了。

毛细现象对植物生长也具有很重要的意义,它们所需要的养分和水分就是由根、叶子和茎中的小管从土壤中吸上来,输送到绿叶里的。这就象不停止的抽水机,不知疲倦地把水分、养分送到植物的每一个细胞。另外,土壤中有很多毛细管,地下的水分沿着这些毛细管上升到地面蒸发掉。如果要保存地下的水分来供植物吸收,就应当锄松表面的土壤,切断这些毛细管,减少水分的蒸发。所以农民常在雨后给庄稼松土,来保持水分。

毛细现象对植物生长也具有很重要的意义,它们所需要的养分和水分就是由根、叶子和茎中的小管从土壤中吸上来,输送到绿叶里的。这就象不停止的抽水机,不知疲倦地把水分、养分送到植物的每一个细胞。另外,土壤中有很多毛细管,地下的水分沿着这些毛细管上升到地面蒸发掉。如果要保存地下的水分来供植物吸收,就应当锄松表面的土壤,切断这些毛细管,减少水分的蒸发。所以农民常在雨后给庄稼松土,来保持水分。

图片 30

利用毛细现象,人们还生产出各种钢笔、签字笔和彩色水笔。当用它们在纸上书写时,纸马上显现出字迹来,这是我们平日所见惯了的,但却很少有人想到,为什么写字的时候,墨水会源源不断地出来,而不写字的时候,它就不跑出来?现在我们已经知道,这是依靠钢笔身上一系列毛细槽和笔尖上的细缝,把笔胆内的墨水输送到笔尖;而签字笔和彩色水笔的笔尖是与一根细长的管子相连,管内壁有吸满了墨水的棉卷,有的彩色水笔笔尖也是用含多个毛细孔的材料做的。写字时,笔尖一碰到纸,墨水就附着在纸上,并在纸上面留下字迹。

利用毛细现象,人们还生产出各种钢笔、签字笔和彩色水笔。当用它们在纸上书写时,纸马上显现出字迹来,这是我们平日所见惯了的,但却很少有人想到,为什么写字的时候,墨水会源源不断地出来,而不写字的时候,它就不跑出来?现在我们已经知道,这是依靠钢笔身上一系列毛细槽和笔尖上的细缝,把笔胆内的墨水输送到笔尖;而签字笔和彩色水笔的笔尖是与一根细长的管子相连,管内壁有吸满了墨水的棉卷,有的彩色水笔笔尖也是用含多个毛细孔的材料做的。写字时,笔尖一碰到纸,墨水就附着在纸上,并在纸上面留下字迹。

可是,在自己家里那老旧、潮湿的浴室里,给镜子安装加热装置,需要大兴土木,操作失误还可能带来安全隐患,想来也不太现实。

当不写字的时候,墨水为什么不流出呢?我们仍可做另一实验来解释。把一块硬纸板盖在盛上水的玻璃杯上,按住纸板,迅速将杯子倒过来,并把手从硬纸板上移开。此时,发生一奇怪现象:硬纸板停在原处,水仍留在杯内不流出来。难道一杯水的重量推不动一张纸吗?不是的。这是由于大气压强与水的表面张力共同作用的结果。当把玻璃杯倒置后,水柱有些下降,这就减小了杯内的气压,水柱顶部与底部之间的压力差克服了水柱本身的重量而使杯内的水流不出来;水与纸片和水与玻璃之间的表面张力也使纸板保持在原来的位置上。不写字的时候,笔内的墨水不流出来的道理也是一样的。

当不写字的时候,墨水为什么不流出呢?我们仍可做另一实验来解释。把一块硬纸板盖在盛上水的玻璃杯上,按住纸板,迅速将杯子倒过来,并把手从硬纸板上移开。此时,发生一奇怪现象:硬纸板停在原处,水仍留在杯内不流出来。难道一杯水的重量推不动一张纸吗?不是的。这是由于大气压强与水的表面张力共同作用的结果。当把玻璃杯倒置后,水柱有些下降,这就减小了杯内的气压,水柱顶部与底部之间的压力差克服了水柱本身的重量而使杯内的水流不出来;水与纸片和水与玻璃之间的表面张力也使纸板保持在原来的位置上。不写字的时候,笔内的墨水不流出来的道理也是一样的。

那除了加热,还有哪些方法可以防止镜子起雾呢?

表面张力的用途远不止以上所谈到的这些,在生物学、医学及微循环系统中,它也有着广泛的应用;玩具制造厂也常利用它生产出各种有趣的玩具。

表面张力的用途远不止以上所谈到的这些,在生物学、医学及微循环系统中,它也有着广泛的应用;玩具制造厂也常利用它生产出各种有趣的玩具。

事实上,镜子之所以起雾,除了要存在一定的温度差和湿度差,还需要第二个至关重要的条件,那就是镜子本身的性质。即使水蒸气冷凝成了水滴,可要是镜子不愿意留住水滴,那这镜子也起不来雾。

加热防雾镜是利用了起雾的第一个条件,我们还可以从第二个条件入手,阻止镜子起雾。

改变镜面的“润湿性质”

镜子表面能否留住、以及如何留住小水滴,要看镜面的“润湿性质”。

一滴水,在干净的玻璃上,会铺展成水膜;而在荷叶的表面,就会形成一颗可以滚动的小水珠。在不同的固体表面上,水滴为什么会表现出不同的形状呢?

图片 31

图 | pixabay

因为就在液体和固体接触的那一小块地方里,有着液体自身的表面张力,固体的表面张力,空气的表面张力……这些力在固液气三相接触的界面上彼此较量,达到平衡,就决定了液体的形状。

对于水滴与固体表面之间的夹角,我们叫它接触角。接触角在一定程度上反映了固体表面的“润湿性质”,也就决定了水珠在其上的状态。

对于某一固体表面上,当水的接触角趋于0度时,水珠容易铺展成水膜,这种表面的润湿性质就是超亲水(顾名思义,超级亲水);当水的接触角大于150度时,水珠就变成圆滚滚,这种表面的润湿性质就是超疏水(不喜欢水,走开走开)。

水滴形状与接触角

对于那些不便使用加热防雾的情况,我们就可以考虑从超亲水、超疏水的角度出发。

事实上,镜子起雾,恰恰是因为镜子的表面“两不靠”,既没有亲水到完全变成水膜,也没有厌水到水珠极易滚落。而我们要做的,就是把镜子表面变得更极端一点。

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目前最有应用前景的,是用二氧化钛把镜面变成超亲水状态。

超亲水防雾,超“厌水”也防雾

纳米级别的二氧化钛具有优异的防雾性能。透明玻璃表面涂上一层TiO2,经紫外光照射后,TiO2会转变为超亲水状态。这就克服了水的表面张力,增加了水和玻璃之间的吸引力,使水滴形成均匀的水膜。均匀水膜若有似无,大大减少了光线的漫散射,从而保证镜子的高透明度,也就不容易起雾。

此外,TiO2还有自清洁的特点。表面的超亲水性使附着在其表面的水分形成水膜,渗入污垢与二氧化钛之间的界面,使污垢的附着力大幅降低,在受到水流冲力作用时,污垢就能自动从表面剥离下来。

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TiO

2涂层在紫外光下透明度大大提高 | Nature

可是,一旦光照停止,TiO2神仙镜面会像12点钟声后的灰姑娘一样回到原来的模样吗?在TiO2中加入亲水性的二氧化硅解决了这一问题。超亲水状态下,二氧化硅像一个个吸水小海绵,把亲水的TiO2通过吸附得来的水,紧紧吸住。在停止光照后,TiO2本想变成原来的疏水模样,奈何身旁全是小海绵,小海绵里全是水。这下,即使是黑暗来临,TiO2也照样亲水防雾。

二氧化钛因其催化性能好,化学性质稳定,无毒,来源丰富且价格低廉而在防雾应用中占有绝对优势。目前,国内外都有知名公司致力于二氧化钛防雾的相关研究。

利用了同样的原理,还可以在镜面上涂覆亲水性的表面活性剂。有一些市售的小分子表面活性剂,亲水高分子防雾剂等,就是从这一角度出发的。还有妈妈告诉我们在镜面上涂肥皂水,也是同样的思路。

图片 34防雾方法有亲水的,还有疏水的。不妨先回想一下荷叶,水滴在荷叶表面是一个个圆滚滚小水珠,一碰就滚落了,就是因为荷叶是超疏水的表面。" style="width:60%;margin:1rem auto">

{"type":1,"value":"我们可以在镜面涂覆有机硅烷类或含氟涂料,使镜面产生荷叶效应。水蒸气冷凝析出水珠后,水珠不容易粘在疏水的镜面上,靠自身重力就可以滚落脱离镜面,因此同样可以防雾。

值得一提的是,超疏水表面的应用范围可是非常广的,除了防雾,还可以防结冰、自清洁、耐腐蚀、以及控制水滴在表面的行为等。比如,国家大剧院外墙就是利用超疏水性质实现自清洁的。

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国家大剧院 | pixabay

浴室镜子、护目镜、潜水镜、车辆挡风玻璃等材料,给日常生活带来了极大的便利。防雾技术、防雾材料的研究自然也备受关注。也许有一天,烦人的起雾问题都会得到解决。到时,节能的浴室防雾镜一定会变得非常普遍,洗完痛快澡,可不必再擦镜子了。

图片 36作者:Vivian" style="width:60%;margin:1rem auto">

{"type":1,"value":"编辑:游识猷,Cloud,窗敲雨

一个AI

为什么要擦干净,你的长相朦胧点更好看

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