先問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題：鋼鐵的比重是7.85g/cm3，水的比重是1g/cm3，為什么鋼針會(huì)漂浮在水面上？（別跟我計(jì)算什么輪船的排水量，我說(shuō)的是鋼針）

鋼針可以漂浮在水面

如果你把幾枚鐵絲回形針、鋁制的硬幣（比重2.69g/cm3）小心翼翼地放在水面，它們也一樣不會(huì)沉下去。

這似乎并不科學(xué)。

我們知道計(jì)算浮力的公式是：F浮=G排。

也就是說(shuō)，水對(duì)鋼針的浮力應(yīng)等于鋼針排開(kāi)水的重量。鋼針的密度是水的7.85倍，它排開(kāi)水的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼針本身的重量。因此鋼針應(yīng)該下沉而不是浮在水面上。

但鋼針、回形針和硬幣確確實(shí)實(shí)是浮在水面，沒(méi)有下沉。一定有另一個(gè)力在支持它們，這個(gè)力是什么呢？

漂在水面的四枚回形針

這都是因?yàn)樗谋砻娲嬖谝环N力：表面張力。正是這種無(wú)形的力，托起了比重大得多的物體，使它們不會(huì)下沉。很神奇是吧？

什么是表面張力？

表面張力是流體表面存在的可能收縮到最小表面積的趨勢(shì)力；它是液體分子由于凝聚力相互吸引而在其表面形成的內(nèi)向力；它就像是一張覆蓋在液體表面被拉伸的彈性薄膜，可以承受一定重量的外在壓力。

液體分子受力圖

為什么水分子之間有這么大的凝聚力呢？

這與水的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。我們都知道水分子是由一個(gè)氧原子與兩個(gè)氫原子之間通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合而成。由于水分子是彎曲的分子結(jié)構(gòu)，并且氧原子具有比氫原子更高的電負(fù)性，所以它是極性分子：氧原子帶有輕微的負(fù)電荷，而氫原子略帶正電荷。

水分子中原子的電荷分布圖

正因?yàn)榇嬖谶@樣的電性質(zhì)，水分子會(huì)通過(guò)氫鍵與它附近的水分子相互吸引，它與相鄰分子形成多達(dá)四個(gè)氫鍵，使得水具備比較強(qiáng)的粘性。這意味著水存在比較強(qiáng)的表面張力。

水分子之間通過(guò)氫鍵連接的3D模型

受到表面張力的影響，水會(huì)趨向于將其表面積收到最小，我們知道在同樣體積下球體的表面積最小，所以水滴會(huì)趨向于球體的形狀。如果有物體壓迫一個(gè)平的水面，使水的表面積增大，那么表面張力因?yàn)橼呄蛴跍p小這個(gè)表面積，它會(huì)向相反的方向提供一個(gè)推力。

水滴會(huì)趨向于球形

這是一個(gè)輸液管中水滴下落的視頻片段，我們可以看到當(dāng)上方的液滴落下時(shí)，它會(huì)受下方水面表面張力的影響凝聚成一個(gè)圓圓的小水珠，直到它們之間水分子氫鍵被打亂，形成新的氫鍵，水珠消失。

視頻加載中...

水在25°C時(shí)的表面張力達(dá)到71.99 mN/m，這使得水的表面有能力托起密度很大的物體，比如回形針、鋼針甚至硬幣。

漂浮在水面鋼針的橫截面受力圖

當(dāng)我們將鋼針?lè)旁诜旁谒鏁r(shí)，它的重量

F

w將水面下壓

，如果水的表面張力Fs與向下的力Fw保持平衡，鋼針就可以漂浮在水面上。此時(shí)鋼針的重力Fw與表面張力Fs的關(guān)系可以表示為：

表面張力與重力的平衡關(guān)系

表面張力的作用

說(shuō)起水的表面張力，有些人自然就想起武俠電影里水上漂的輕功絕技。

輕功水上漂

明白的人都知道，那些不過(guò)是電影的蒙太奇，從科學(xué)的角度，人是不可能光腳踩著水面健步如飛的。

不過(guò)迄今為止，包括昆蟲(chóng)、蜘蛛等小型生物到爬行動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)甚至某些哺乳動(dòng)物在內(nèi)，有超過(guò)1200種動(dòng)物已經(jīng)進(jìn)化出水上行走的能力。

有一種叫水黽的昆蟲(chóng)，它就依靠長(zhǎng)長(zhǎng)的腿在水面行走如飛。

水黽

水黽的長(zhǎng)腿表面有許多極微小的絨毛，它一方面為水黽腿提供了更大的表面積，同時(shí)它又有疏水性，就像荷葉表面一樣，它不會(huì)被水打濕。這樣，當(dāng)水黽站在水面時(shí)，它的幾條長(zhǎng)腿下壓水面，表面張力使得水有將曲率最小化的趨勢(shì)，水面就像一張彈性薄膜一樣將水黽支撐起來(lái)。

壁虎也可以利用水的表面張力踩水疾行，這項(xiàng)技能往往使它能輕松擺脫捕食者的追擊。

平尾屋壁虎踩水疾行的連拍鏡頭

這種壁虎有大約6克重，相比于水黽來(lái)說(shuō)它確實(shí)重多了，這似乎不具備利用水表面張力的能力。但壁虎有辦法，它有一身超級(jí)防水的皮膚和帶蹼的腳掌，通過(guò)四條腿大力拍擊水面，壁虎在它身體下方制造一個(gè)空氣的空腔，這時(shí)候水的表面張力會(huì)因?yàn)橛谢謴?fù)曲率最小化的趨勢(shì)，從而將壁虎的身體向上方推。與此同時(shí)，壁虎扭動(dòng)他的身體和尾巴，尾巴像一支船櫓一樣驅(qū)動(dòng)壁虎以1米/秒的速度在水面飛奔。

壁虎踩水的動(dòng)作分解

人類(lèi)如何利用表面張力？

愛(ài)喝酒的人經(jīng)常喜歡用酒“掛杯”的情況來(lái)判斷酒的品質(zhì)，其中就蘊(yùn)含了表面張力的原理。

“掛杯”又稱(chēng)酒淚，有人據(jù)此判斷酒的品質(zhì)

葡萄酒主要是酒精和水的混合物，含有溶解的糖、酸、色素和香料。當(dāng)我們晃動(dòng)酒杯時(shí)，酒會(huì)附著在酒杯的內(nèi)壁上，酒精揮發(fā)速度快，留在杯壁的酒中醇的濃度降低，水的表面張力增加，于是聚集成下落的水滴，像眼淚一般。如果你晃動(dòng)酒杯時(shí)試著捂住杯口不松手，酒精沒(méi)有揮發(fā)出去，就不那么容易看到掛杯了。

人們制造防水的紡織面料，并用它來(lái)制造雨傘或衣服，這樣雨水落在上面會(huì)因表面張力迅速聚集成水滴滾落，這給我們的生活帶來(lái)了許多方便。

疏水的紡織面料，使水滴凝聚并滾落

防霧劑則是截然相反的例子，人們發(fā)明它是為了克服表面張力。當(dāng)水氣遇到冷的玻璃或游泳鏡時(shí)，它會(huì)在表面聚集，形成一個(gè)個(gè)球形的小水滴，這種霧氣會(huì)阻礙我們的視線(xiàn)，甚至?xí)?lái)嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。防霧劑可以將鏡片變成親水表面，這樣就可以克服水的表面張力，使它迅速在鏡面擴(kuò)散成水膜而不是水滴，從而達(dá)到防霧目的。

防霧劑可以克服表面張力，帶來(lái)行駛安全

總結(jié)：

支撐鋼針不沉入水底的，除了水的浮力外，更多的是水表面受壓而形成的表面張力。因?yàn)樗肿又g4個(gè)氫鍵的作用，水分子間擁有更大的凝聚力，水也因此具有比許多液體更大的粘性，因此水可以提供的表面張力也更大。

不只是水，其它的流體，包括溶化的金屬也都存在表面張力，這是由流體內(nèi)部分子間的凝聚力決定的。

現(xiàn)在，你明白了吧？