主题：流体力学趣事-前言 -- 沐右

当年我学流体力学的时候，应该是大二第一学期，学的迷迷糊糊的。考试交卷后，老师问如何？我实话实说感觉极差。当然，也有同学说很容易。

过了几天，老师直接到寝室说总体成绩不好，但不用担心，他会开平方乘10的。他说当他听到有人说很容易的时候，他已经知道大家考砸了。而且考前教研室审核考题时就说题目是研究生级别的，注意考后调整。

今天，我们来做个实验。

表面张力的存在，使得一些不可思议的事情得以实现，比如说，把硬币浮在水面上。大家去旅游的时候，在一些寺庙名胜，往往会见到一个许愿池，旁边往往会有一些吉祥的话语，比如“沉下去是寿，飘起来是福”之类，这样鼓励大家往里面放硬币。偶尔有人能把硬币浮在水面上，大家都会觉得他运气好。大家都知道，硬币要比同体积的水重，因而把一个硬币放在水面上，如果考虑重力和浮力的话，它应该沉下去而不是浮起来。这是怎么回事呢？

我们先来做一个小实验：漂浮的针和硬币

需要：

一盆水（温度低一些会更好，表面张力大）；

针、硬币（轻薄一些的比较好）、曲别针等等；塑料叉子（或者镊子、纸巾用来辅助）；

肥皂水（洗洁精调出来的就好）；

步骤：

将干燥的针或硬币等水平地放在叉子上，将叉子缓慢地沉入水中，针/硬币等就会漂浮在水面上，从旁边慢慢地将叉子移开；

可以多放几个进去观察，看什么样的物体可以伏在水面上；

最后，可以倒入一些肥皂水，观察表面张力改变之后漂浮的小物体怎么沉下去的。

演示视频：

（请忽略背景的杂音）

把针放在水面上稍微有点困难，并不是每一次都能成功。针比水重，可是为什么针可以浮在水面上呢？从视频上大家应该可以看到，针两边的水面发生了弯折，从侧面看上去，水面应该是下面这样子的：

外链图片需谨慎，可能会被源头改

通过水面的弯折，表面张力提供了一个向上的力，使得针或者硬币可以浮在水面上。这一点大家如果自己做实验的话应该可以看的更清晰，而且大家应该能拍出比下图更漂亮的照片。

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这些漂浮在水面上的物体之间有着相互作用。从视频里面我们可以看到，当硬币之间的距离比较远的时候，它们之间没有什么影响，当它们互相靠近的时候，就会互相吸引在一起。而在视频和上面的照片里面，漂浮的物体都不会粘在盆边或者杯子边上。这些相互作用和水面的形状有着密切的关系。

让我们以硬币为例分析下这里的物理原因。当两个硬币离的比较远的时候，每个硬币周围的水面都是平的，只有在硬币的周围水面才会有向下的弯曲。当两个硬币距离比较近的时候，它们互相靠近就能减小之间的水面的表面积，而这样就可以减少表面势能（表面张力），因此它们之间会有相互吸引的力。

而在水面和盆或者杯子接触的地方，如果我们仔细去看，水面是向上弯折的。不同的材料和水接触的时候，它们倾向于形成的接触角度是不同的，这一点我们将会在以后仔细来说。这样，硬币和盆边水面向不同的方向弯折，把他们靠在一起将会增大水面的面积，这样会增加表面势能而不利于系统能量的最小化。所以，曲别针会喜欢呆在杯子的中央。

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其实，我们在日常生活中看到过很多这样子的例子。比如说，汤碗里面漂浮的油滴喜欢互相靠在一起，但是油滴并不喜欢靠在碗边上（这和油很多的时候碗边形成一圈油的情况要分开），这是因为油滴附近的水面被油滴压着向下弯折的。同样的，汤或者饮料表面的气泡也会互相靠在一起，而不是互相分离开来，而且碗里面的气泡会喜欢挨着碗边，这是因为气泡那的水面是向上弯折的（并且盖住整个气泡）。

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最后，当我们把肥皂水倒入盆中的时候，大家可以看到，针和较重的一角硬币落了下来，而且仍然漂浮的一分硬币也变得没有之前稳定了。这是因为肥皂水改变了水的表面张力，使得水面能够提供的弹力变小了。

看了冗长拖沓的分析，你是否想自己动手试试呢？

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