跟着古人学表面张力和固液浸润现象

李英+王海

摘 要：表面张力和浸润现象，在古代对其的描述和应用不在少数，但是系统搜集和整理的工作却非常的少.浸润和表面张力的创设问题的情景较少，同学们不能很好地迁移到生活中，不能做到物理来源于生活，研究成果应用于生活. 本文跟随着古人的脚步，描绘出一幅幅古代表面张力和浸润的画卷，希望能使同学们能身临其境，感受表面张力和浸润现象的神奇.

关键词：表面张力；浸润性；丢“巧”针，竹篾圈

作者简介：李英（1990-），女，河南新乡人，首都师范大学物理系研究生，硕士，主要从事材料物理与化学的工作.

通讯作者：王海（1974-），男，北京人，副教授，硕士生导师.

1 我国古代的浸润现象

关于表面张力和固液间的浸润性的发展在我国有着悠久的历史，史料记载的最早可追溯到西汉年间.早在前179～前122年，淮南王刘安通过细致的比较和观察，在其《淮南万毕术》一书中记载 “取头中垢，塞针孔，置水中，则浮”的现象.[1]所描述的是用头上的污垢堵塞针孔，将针放入水中，针在水面上摇曳却没有没入水底的神奇现象.针的密度远远大于水，如果简单的运用中学所学的固体在液体中的浮沉条件，毫无疑问，针的重力大于水对针的浮力，针会沉入水底.但实际上却观察到相反的结果，什么原因导致的呢？溶液的表面存在使液体表面拉紧的力，这个力叫做表面张力.而针上粘上油脂放入水中后，油脂更增加了水的表面张力，此时针在液体表面不仅有浮力，也有表面张力，达到受力平衡，此时针浮在水的表面.

唐朝著名的诗人杜甫的诗句“随风潜入夜，润物细无声”家喻户晓，所描述的是雨伴着春风在夜晚悄悄地下了起来，无声地滋润着万物的场景.其诗句中所描述的“润物”二字恰当的表述了雨滴与植物叶茎和土地接触时浸润的客观现象.一幅动静交互，生机盎然的画卷跃然眼前，可以看出浸润是滋养万物至关重要的因素之一.雨水落在土地上，与空气构成了三相面（固体，液体，气体），在三相面之间达到平衡浸润.

及至宋朝，周敦颐在《爱莲说》中对其挚爱的莲花描述到，“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”.与杜甫所谈到的“润物”似乎有些不同，荷叶上常常观察到大小不一的圆形的小水滴，随着微风微微摇曳，在摇曳的过程中带走了荷叶表面的泥土和灰尘.水面上一株色彩亮丽的莲花迎风舞动，水面下是静益污浊的水塘和淤泥，给文人墨客以借景抒意的想象空间.荷叶上水珠呈现圆形的原因的是什么呢？带走灰尘的应用又有哪些呢？随着科技的进步，我们通过显微镜可以观察到，荷叶的表面布满了极小的凸起，这些极小的凸起，构成了自身的特殊性，由于表面张力的存在，液珠在荷叶上成球型.球型的液珠在荷叶上滚动时带走附着在表面的泥土和灰尘，实现所谓的自清洁[2]（如图1）.对光滑表面进行修饰，是改变固液接触面的浸润性的不可或缺的方法之一.

在宋朝，浸润问题不仅仅出现在文人雅士的诗句中，也出现在市井之中的应用.南宋时期的张世南，在《游宦纪闻》中记载到，“验漆之美恶，验真桐油之法，以细篾一头作圈子，入油蘸.若真者，则如鼓面鞔圈子上. 渗有假，则不著圈子上矣.”[3]描述的是验证油漆和桐油的一种方法，用竹篾一头做成小圈，蘸到油漆或桐油中，如果它们是纯的，竹篾上像鼓膜一样形成薄膜，如果它们其中掺假，则不能形成膜.可以想象，在热闹的集市上，很多商贩们拿著竹篾圈向客人展示自己油漆和桐油的品质好的栩栩如生的繁荣的市井画面.液体表面存在表面张力，与“丢针”实验有异曲同工之效.用表面张力的知识不难理解，当桐油和油漆杂质含量少时，桐油和油漆表面张力较大，则可以在竹篾圈上形成一层薄膜，而当桐油杂质含量多而成为次品时，桐油的表面张力较小，则不能在竹篾圈上形成薄膜.

在宋朝，关于表面张力经验的还应用于医学.周密在《齐东野语》中记载到“熊胆善辟尘.试之之法，以净水一器，尘幂其上，投胆粟许，则凝尘豁然而开.以之治目障翳，极验.”[4]描绘的是在一个容器中放入水，灰尘飘在水的表面，放入少量的熊胆，则灰尘被推开.用这种方法治疗眼疾效果极佳.在医疗落后的古代，人们渐渐地总结了前人的经验，掌握了用熊胆融水的办法治疗眼疾.治疗眼疾的原因与表面张力是密不可分的.将熊胆溶于水后，增大了水面的表面张力，在滴入眼睛时，和眼睛的浸润性良好，因此熊胆可用来清洗和除去眼球表面的灰尘，达到治愈眼疾的效果.发展到宋朝，对于表面张力和浸润性的记录已经颇多，充分表明当时人们对于表面张力已经有了一定的经验认识并将其认识广泛应用于生活，真正做到了知识来源于生活，用于生活.

随着的科学的发展，人们智慧的不断凝结，然而对于“丢巧针”这项活动一直被人们作为有趣的活动之一.如在明末清初张岱在《夜航船》中记载到：“取头垢涂针，及塞针孔，水上自浮.[5]”与西汉《淮南万毕术》的记录有所不同，此时头垢涂满针身和针孔，油脂的量增加，增加了水的表面张力，针更容易浮在水面.不仅仅可以通过增加油脂的方法来增大表面张力，还可以通过增加水中的气泡的方法来增大表面张力.如在明末清初，《帝京景物略》曾记载道：“七月七日之午，丢（巧）针.妇女曝盎水中日，顷之，水膜生面，锈针透之则浮.”到了七夕这天，妇女们向织女乞求智慧和巧艺，丢“巧”针便是众多有趣且包含智慧的活动之一.妇女们将此项活动巧妙地安排在天气晴朗的正午，此时水由于经过了一上午的曝晒，水面上和水中会有很多的气泡，这些气泡膜的表面张力支撑着针，不再需要把针上粘上头垢，就可以使针浮在水面上.

无论是朗朗上口的诗句，还是应用于生活中的实例，都与表面张力和浸润相关.在中学中较少谈及浸润的发展和实验现象，更是没有给出在浸润和表面张力的关系——液滴稳定性的方程.

2 浸润性的稳定性方程——Young氏方程

从上述的种种现象可以看出，表面张力和浸润性之间的有着重要的关系.关于这个问题，经过长时间的实验观察和简单应用，却一直没有发展出统一性的公式.直到1804年，英国的的科学家Thomas Young，高度总结和概括了前人的实验现象给出经验公式[6]. 当液滴滴在固态表面时，液滴在固体表面达到稳定.此时，抽象出如图2所示的理想化模型，认为固体表面是光滑的平面，液滴也是组成均一的液滴.此时，在固液气三相面的交界处满足力学平衡，有

其中，γsv，γsl，γlv，分别代表固体与气体之间，固体与液体之间，液体与气体之间的表面张力.θe代表固体与液体接触面与液体面的切线的夹角，即接触角.通过测量接触角的大小，便可以得知其浸润性. 当θe<90°时，即为浸润. 当θe>90°时，即为不浸润.

3 讨论

当溶液和固体表面接触时，此时三相面即存在，其稳定时的情况，取决于三相面的竞争关系.“丢巧针”、“竹蔑圈”等现象形成，固体的表面较小，其主要的原因是由于溶液表面的分子对称性的破缺，存在表面张力在表面形成一个张紧的膜，达到想要的效果. 而“出淤泥不染”的不浸润和“润物”的浸润固体的表面较大，液体滴在固体的表面，达到稳定的主要原因是在三相面处的力学平衡形成的.

4 总结

本文追随者古人的脚步，细致的总结了浸润性和表面张力的诗句和应用，描绘了一幅幅诗情画意的画面.

参考文献：

[1]袁春梅.中国古代趣味物理实验[J].物理教师，2008，29（10）：54-58

[2]吕鹏宇，薛亚辉，段慧玲. 超疏水材料表面液-气界面的稳定性及演化规律[J].力学发展，2016，46：176-224.

[3]张世南.游宦纪闻[M].卷二.

[4]周密.齐东野语[M].

[5]粟新华.水在中国古代物理实验中的妙用[J].邵阳师范高等专科学校学报，2001，23（5）：47-51.

[6] T. Young. An essay on the cohesion of fluid[J].Philos.Trans. R. Soc，1805，65-87.