先问大家一个问题:钢铁的比重是7.85g/cm³,水的比重是1g/cm³,为什么钢针会漂浮在水面上?(别跟我计算什么轮船的排水量,我说的是钢针)
钢针可以漂浮在水面
如果你把几枚铁丝回形针、铝制的硬币(比重2.69g/cm³)小心翼翼地放在水面,它们也一样不会沉下去。
这似乎并不科学。
我们知道计算浮力的公式是:F浮=G排。
也就是说,水对钢针的浮力应等于钢针排开水的重量。钢针的密度是水的7.85倍,它排开水的重量远远小于钢针本身的重量。因此钢针应该下沉而不是浮在水面上。
但钢针、回形针和硬币确确实实是浮在水面,没有下沉。一定有另一个力在支持它们,这个力是什么呢?
漂在水面的四枚回形针
这都是因为水的表面存在一种力:表面张力。正是这种无形的力,托起了比重大得多的物体,使它们不会下沉。很神奇是吧?
什么是表面张力?表面张力是流体表面存在的可能收缩到最小表面积的趋势力;它是液体分子由于凝聚力相互吸引而在其表面形成的内向力;它就像是一张覆盖在液体表面被拉伸的弹性薄膜,可以承受一定重量的外在压力。
液体分子受力图
为什么水分子之间有这么大的凝聚力呢?
这与水的分子结构有关。我们都知道水分子是由一个氧原子与两个氢原子之间通过共价键结合而成。由于水分子是弯曲的分子结构,并且氧原子具有比氢原子更高的电负性,所以它是极性分子:氧原子带有轻微的负电荷,而氢原子略带正电荷。