什么是張力 原理是什么

原文作者：薛德堡

平時(shí)我們說張力，就是一種力量感。

但裊裊煙霧，就讓你感覺很放松了。

藝術(shù)設(shè)計(jì)中，張力代表某種能激起人的緊張情緒的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

例如當(dāng)你看到下面這幅圖時(shí)，你的心就略微緊張了一點(diǎn)，因?yàn)槟莻€(gè)球時(shí)刻就要滾下來了。

有時(shí)，張力還經(jīng)常用來描述那種具有力量的文字。

這時(shí)候，張力是指通過一些著力的詞或句子，讓文字整體看起來更有穿透力，比如更具哲理性，能給人以力量，或者能調(diào)動(dòng)人的情緒。

那么，在物理上，張力是什么呢？物理上的張力一般指表面張力，下面來講講。

表面張力主要是液體內(nèi)分子之間的吸引力所導(dǎo)致的，也與其接觸的氣體、固體或液體的性質(zhì)有關(guān)。

以水滴為例。水滴內(nèi)部的彼此靠近的水分子之間存在吸引力，因此水滴內(nèi)部的水分子在各個(gè)方向上都受到周圍的分子吸引。當(dāng)表面的水分子稍微向外移動(dòng)一點(diǎn)時(shí)，它就會(huì)被附近的分子吸引回來。

因此，表面張力總是試圖讓液體分子聚集，從而導(dǎo)致液滴表面收縮，如下圖所示。

張力沿著液體表面切向，對(duì)液面內(nèi)經(jīng)過某點(diǎn)處的一條線，張力是平行于表面，且垂直于該線的，如下圖所示（注意：這里的那條線沒畫出，它垂直于屏幕）。

一般來說，張力的方向是指上述圖中紅色的箭頭代表的方向，不是圖中F所表示的方向！雖然張力形成的作用效果是F方向，但這不是張力直接作用的方向。

表面張力的強(qiáng)弱通常用參量γ來表示，它被定義為沿單位長度線的張力，故表面張力的測(cè)量單位為 SI 單位中的牛頓/米。不同表面的表面張力γ如下表所示。

當(dāng)不存在競(jìng)爭(zhēng)性外力時(shí)，由于張力，液體系統(tǒng)將使其表面積最小化。

液體表面的分子被側(cè)面和底部的相鄰分子吸引而發(fā)生收縮，導(dǎo)致液體表面具有最小表面積，這就是為什么液滴總是呈現(xiàn)球狀的原因。

肥皂泡為什么都是球形的？也同樣是張力導(dǎo)致的。

下面杯子的水面上懸浮了一枚硬幣，按說硬幣的密度比水的密度大，浮力不足以平衡其重力，但為什么硬幣卻能浮于水面呢？

無它，唯張力使之也！

解釋很簡單。

如下圖所示，靠近懸浮物表面處的液體分子產(chǎn)生沿著切向的張力，這讓你想起什么力？不就是繩子的彈力嗎？所以懸浮物就相當(dāng)于被無數(shù)根細(xì)線兜起來了，所以它被懸吊起來了。

一般將同種分子之間的吸引力叫做內(nèi)聚力，而將不同分子之間的吸引力叫粘附力。顯然，液體的表面張力就是內(nèi)聚力導(dǎo)致的。

若液體分子處于某固體表面，液體分子同時(shí)還受固體表面分子的吸引作用，也就是除了內(nèi)聚力之外，還產(chǎn)生了粘附力。

內(nèi)聚力導(dǎo)致張力，它使液體表面收縮，而粘附力則相反，它使液體在固體表面鋪開甚至滲透到其內(nèi)部，這就是潤濕，也叫浸潤。內(nèi)聚力和粘附力的競(jìng)爭(zhēng)決定潤濕程度。

液體和固體表面之間的接觸角θ是潤濕程度的量度。該角度越小，表面張力越小，則潤濕程度越大，反之則濕潤程度越小。如下圖，自左至右，分別代表潤濕的三種情況。

在玻璃上，水會(huì)散開，因?yàn)樗畬?duì)玻璃是浸潤的；但水銀在玻璃上會(huì)形成液滴而滾動(dòng)，因?yàn)樗y對(duì)玻璃是不浸潤的，如下圖所示。

而作為具有金屬光澤的水銀。

水對(duì)植物的葉子是否浸潤，取決于葉子是否有蠟質(zhì)層。當(dāng)有蠟質(zhì)層時(shí)，水對(duì)其是不浸潤的，例如荷葉就是如此。但當(dāng)沒有蠟質(zhì)層時(shí)，水會(huì)在葉子上鋪開。

對(duì)于容器中的液體，會(huì)形成彎曲的液面。它可以是凸的或凹的。凹下液面表明液體分子對(duì)容器材料的吸引力（粘附力）比彼此之間的吸引力（內(nèi)聚力）更強(qiáng)。凸起液面表明分子之間的吸引力比與容器材料之間的吸引力更強(qiáng)。

編輯：黃飛