为什么水滴是球体的形状

金仲辉

读者“飞扬”问：“为什么水滴是球体的形状，而不是其他的形状呢？”要回答这个问题。要从液体的表面张力说起。

很多现象说明，液体的表面犹如张紧的弹性薄膜，它有收缩的趋势，例如，我们小心地将一枚细小的钢针横放在水面上，钢针不会下沉，仅仅将液面压下，略显弯形，既然液体表面像张紧的弹性薄膜，则表面内一定存在着张力，我们可以用一个简单的实验来显示液体表面有张力的现象。

图1所示的是用金属丝弯成的一个框架。它的右边（AB）是可以滑动的，现将框架浸入肥皂水中后拿出，可在框架内形成肥皂水薄膜，肥皂水液面因存在表面张力而有收缩的趋势，若要加大液体的表面积，必须对图1中的AB边施加一个向右的外力F.如果在施力的过程中，AR边做匀速运动，说明在液体表面积扩大的过程中，F与液面向左边收缩的表面张力相平衡，这就是说，在扩大液体表面的过程中，外力因克服液体表面张力而对液体表面做了功，根据能量守恒定律。外力所做的功就转化成液体表面的能量（简称表面能）。

上述的实验不仅说明液体表面因存在表面张力而具有收缩的趋势，而且说明液体表面具有一定的能量，不同液体的表面张力情况各异。我们常用表面张力系数来表示它们的不同，表面张力系数的一个定义是：在某温度下的表面张力系数，在数值上等于增加单位液体表面积时所增加的表面能，纯水的表面张力系数要比肥皂水的表面张力系数大，说明在增加同样液体表面积的情况下，肥皂水所需的能量要比纯水的小，由几何知识可知，物体在一定体积条件下，在各种形体中，球体的表面积最小。这就是说一定体积的水，取球体形状时表面积最小，由于表面能与表面积成正比，所以球体表面具有最小的表面能，在一般自然情况下，物体都处在最低的能量状态，因此在一般情况下，水滴的形状是球体的。

若将一定体积的水（如一杯水）都化成具有一定半径的水珠，由于这些水珠的总表面积比一杯水的表面积增加了许多，水液面的表面能也就增加了许多，所以，将一杯水化成许许多多的水珠，外界是需要做一定功的，例如，家庭用的加温器就是这种情况，相反，天空下雨，许许多多的雨滴落在湖里，均化成湖水，则许许多多的雨滴表面能都转化成湖水的能量，此外，下落的雨滴具有一定的速度，即具有一定的动能，如果雨滴的温度和下雨前的湖水温度是相同的，那么，从原理上讲，下雨后的湖水温度应该稍稍有所提高。

责任编辑 蔡华杰