主题：流体力学趣事-前言 -- 沐右

视频好像在这里显示出来很慢，我都给出链接来，可以去土豆等网站上看。

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我们知道，水是由水分子构成的，一个水分子由一个氧原子和两个氢原子构成。每个原子都是由原子核和核外电子构成的，电子围绕着原子核运动，形成电子云。因此，水分子里的原子之间的连接实际上不是火柴棍那样的，而应该是像下面图里那种憨厚浑圆的样子，而且边缘也不应该那么清晰。水分子里面，氢原子和氧原子的距离大约为1埃，或者说是百亿分之一米。两个氢原子和氧原子形成的角度，大概是100多度的样子，在气态、液态水或不同的固态水里面，这个数字略有变化。

外链图片需谨慎，可能会被源头改

和我们日常放在桌子上的一杯水里面，如果我们能放大去看的话，可以看到这些水分子挨在一起，作着杂乱无章的运动。这种运动的强度由水的温度决定，温度越高，水分子运动的越快。而当我们把目光转向水和空气的界面上，事情就变得壮观起来：大量的空气分子不停地撞击界面附近的水分子，而这些水分子并不像在内部那样紧密地联系起来，不时有速度很快的水分子脱离开去，进入到空气里面，也不时有空气里面的水分子呼啸而来，又溶入到水面之中。如果杯子是敞开的，那么水会慢慢地散发到空气中，同时带走热量，这个热量叫做水的汽化热；而如果盖上盖子，那么水杯里面的水和空气就能够达到平衡，以空气里面含有一定的水蒸气，而水面维持一个动态的平衡。

外链图片需谨慎，可能会被源头改

空气和水的表面处，水的蒸发（来自这里）

所以，液体表面的分子含有的能量要比等量的内部分子高。大家知道，物理体系倾向于能量小的状态，因此，如果其他的因素可以忽略，液体会倾向于最小的表面积。失重状态下的液体可以形成球形的形状就是这个原因。这个倾向使得液体的表面像橡皮膜一样充满弹性，如果在水面上画一条线，那么线的一边对另外一边实际上有一个拉力，这个力被称作表面张力。在我们日常生活中来看，这个力是很小的，水面上一米长的距离上，这个力在室温下只有不到0.1牛顿（随着温度的升高，这个数值会变得更小一些）[ 3 ]，比较起来举起两个鸡蛋需要的力大概是1牛顿。然而，当我们观察比较小长度的物理现象的时候，表面张力可以起到主要作用。

表面张力的概念并不是太好理解，然而，通过下面的两个视频大家就可以明白，为什么说液体的表面和橡皮膜类似了。在高速摄像机的拍摄下，我们能看到装满水的气球和平面碰撞时候的样子，注意看碰撞的那一瞬间水的表面一层层的波纹。

而当一个小水珠和荷叶相撞的时候，我们能够看到类似的现象：水珠的表面像橡皮膜一样，把水紧紧包住。看一看，这两个视频是不是很像？

我们知道，如果把一杯水装满，然后用一张硬纸盖住，当我们把杯子和硬纸翻过来，口朝下的时候，硬纸并不会掉下来。这是因为大气压要比硬纸上面杯子里水产生的压强大的多，完全可以支撑住硬纸。然而，如果我们用一个充满网眼的盖子盖住杯子，用硬纸盖住后反过来，然后拿开硬纸，杯子里面的水并不会通过网眼漏出来，这是因为网眼里面水面像绷紧的橡皮膜那样，支撑住了上面的水。这个魔术，是不是可以尝试一下？

手画一个简单的草图来解释一下（如下），黑色是杯子，黄色是网眼，蓝色是水。在网眼的地方，液面变形产生的力兜住了上面的水。所以即使像我画的那样上边漏风或者像视频里面那样水上面还有空气，水也不会掉下来。

参考资料：

1. 费曼，《费曼物理学讲义》。这一部分的前面一半参考了《费曼物理学讲义》的第一卷第一章。

2. 维基百科，《水》。

3. 维基百科，《surface tension》。

4. Longquan Chen et. al., J. Micromech. Microeng. 20 105001 (2010). 链接

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