為什么肥皂氣泡是圓的?
冷風(fēng)氏
因為表面張力使液體膜總是把自己拉緊,使自己盡量處于一種最緊湊的狀態(tài)——自然界里最緊湊的形狀就是球形。因此,肥皂泡里面的空氣緊湊地擠在一起,產(chǎn)生的力與圍繞肥皂泡的外力相同。
我們都喜歡泡泡,特別是滾圓滾圓、又閃著虹彩的肥皂泡。英國科學(xué)家查•波易斯出于對這種現(xiàn)象的好奇撰寫了一本200頁的書,書名叫做《肥皂泡的色彩和塑形力》。波易斯稱氣泡為“華麗的東西”,認(rèn)為使氣泡成形的力存在于所有液體中,倒茶或者趟河時都會看到氣泡泛起。
可以想象向氣球里注水的情景,水注得越多,橡膠皮的氣球就越大,直到脹爆。再想象一下水滴:水掛在水龍頭口上聚集成滴,越聚越大,大到一定程度后會最終掉下來。波易斯提出一個問題:水滴到底為什么會掛在水龍頭上,就好像水被裝在像氣球一樣的塑料袋里,直到裝得太多袋子就破掉或掉下來呢?
事實上水滴外面并沒有袋子。但是波易斯認(rèn)為,一定存在著某種無形的表皮使水能夠聚集成滴。這種“表皮”其實是水以及其他液體的一種性質(zhì),即表面張力。以水為例,在液面下,水分子之間有很強的吸引力,但表面的水分子與其上的空氣分子之間并沒有吸引作用,它們只受到下面的水分子向下、向內(nèi)的吸引,這種“表面張力”便起到了水滴的“表皮”的作用。這層“表皮”使水滴能夠掛在水龍頭上,直到超重之后才掉下來。
不同液體有不同強度的“表皮”。比如,酒精的表面張力就比水小很多,根本不會成滴。但是水銀的表面張力卻是水的6倍,從破碎的溫度計里流出的水銀珠可以在地板上滾來滾去。用肥皂水能吹出泡泡來也是因為有表面張力。用吸管在肥皂水里蘸一下,在吸管的橫截面上就形成一層膜,如果對著吸管另一端吹氣,這層膜就像氣球一樣鼓起來,然后形成一個閉合的空氣泡,風(fēng)一吹就飄走了。
由于肥皂泡表面是有彈性的,肥皂泡里的空氣承受著壓力——跟氣球里的情形一樣。壓力的大小取決于肥皂泡曲面繃緊的程度,曲面越緊繃,肥皂泡越小,里面空氣的力就越大。波易斯通過實驗發(fā)現(xiàn),肥皂泡破碎的情形跟充氣氣球松開扎口的情形一樣,氣體從氣泡里射出來,有時竟然可以吹滅蠟燭。
那么肥皂泡到底為什么是圓的呢?這是因為表面張力使液體膜總是把自己拉緊,使自己盡量處于一種最緊湊的狀態(tài)——自然界里最緊湊的形狀就是球形。因此,肥皂泡里面的空氣緊湊地擠在一起,產(chǎn)生的力與圍繞肥皂泡的外力相同。但是波易斯發(fā)現(xiàn),對正圓形的肥皂泡施加外力也可以改變它的形狀,比如,如果用兩個環(huán)粘住肥皂泡,然后把兩個環(huán)向兩端拉,肥皂泡就可以變成圓柱形。但是,這種非圓形的肥皂泡體積越大就越容易破碎。一個很長很長的圓柱形肥皂泡中間會慢慢變細(xì),繼而分開,最終形成兩個單獨的半圓泡。