先問大家一個問題：鋼鐵的比重是7.85g/cm3，水的比重是1g/cm3，為什么鋼針會漂浮在水面上？（別跟我計算什么輪船的排水量，我說的是鋼針）

鋼針可以漂浮在水面

如果你把幾枚鐵絲回形針、鋁制的硬幣（比重2.69g/cm3）小心翼翼地放在水面，它們也一樣不會沉下去。

這似乎并不科學。

我們知道計算浮力的公式是：F浮=G排。

也就是說，水對鋼針的浮力應等于鋼針排開水的重量。鋼針的密度是水的7.85倍，它排開水的重量遠遠小于鋼針本身的重量。因此鋼針應該下沉而不是浮在水面上。

但鋼針、回形針和硬幣確確實實是浮在水面，沒有下沉。一定有另一個力在支持它們，這個力是什么呢？

漂在水面的四枚回形針

這都是因為水的表面存在一種力：表面張力。正是這種無形的力，托起了比重大得多的物體，使它們不會下沉。很神奇是吧？

什么是表面張力？

表面張力是流體表面存在的可能收縮到最小表面積的趨勢力；它是液體分子由于凝聚力相互吸引而在其表面形成的內向力；它就像是一張覆蓋在液體表面被拉伸的彈性薄膜，可以承受一定重量的外在壓力。

液體分子受力圖

為什么水分子之間有這么大的凝聚力呢？

這與水的分子結構有關。我們都知道水分子是由一個氧原子與兩個氫原子之間通過共價鍵結合而成。由于水分子是彎曲的分子結構，并且氧原子具有比氫原子更高的電負性，所以它是極性分子：氧原子帶有輕微的負電荷，而氫原子略帶正電荷。

水分子中原子的電荷分布圖

正因為存在這樣的電性質，水分子會通過氫鍵與它附近的水分子相互吸引，它與相鄰分子形成多達四個氫鍵，使得水具備比較強的粘性。這意味著水存在比較強的表面張力。

水分子之間通過氫鍵連接的3D模型

受到表面張力的影響，水會趨向于將其表面積收到最小，我們知道在同樣體積下球體的表面積最小，所以水滴會趨向于球體的形狀。如果有物體壓迫一個平的水面，使水的表面積增大，那么表面張力因為趨向于減小這個表面積，它會向相反的方向提供一個推力。

水滴會趨向于球形

這是一個輸液管中水滴下落的視頻片段，我們可以看到當上方的液滴落下時，它會受下方水面表面張力的影響凝聚成一個圓圓的小水珠，直到它們之間水分子氫鍵被打亂，形成新的氫鍵，水珠消失。

視頻加載中...

水在25°C時的表面張力達到71.99 mN/m，這使得水的表面有能力托起密度很大的物體，比如回形針、鋼針甚至硬幣。

漂浮在水面鋼針的橫截面受力圖

當我們將鋼針放在放在水面時，它的重量

F

w將水面下壓

，如果水的表面張力Fs與向下的力Fw保持平衡，鋼針就可以漂浮在水面上。此時鋼針的重力Fw與表面張力Fs的關系可以表示為：

表面張力與重力的平衡關系

表面張力的作用

說起水的表面張力，有些人自然就想起武俠電影里水上漂的輕功絕技。

輕功水上漂

明白的人都知道，那些不過是電影的蒙太奇，從科學的角度，人是不可能光腳踩著水面健步如飛的。

不過迄今為止，包括昆蟲、蜘蛛等小型生物到爬行動物、鳥類甚至某些哺乳動物在內，有超過1200種動物已經進化出水上行走的能力。

有一種叫水黽的昆蟲，它就依靠長長的腿在水面行走如飛。

水黽

水黽的長腿表面有許多極微小的絨毛，它一方面為水黽腿提供了更大的表面積，同時它又有疏水性，就像荷葉表面一樣，它不會被水打濕。這樣，當水黽站在水面時，它的幾條長腿下壓水面，表面張力使得水有將曲率最小化的趨勢，水面就像一張彈性薄膜一樣將水黽支撐起來。

壁虎也可以利用水的表面張力踩水疾行，這項技能往往使它能輕松擺脫捕食者的追擊。

平尾屋壁虎踩水疾行的連拍鏡頭

這種壁虎有大約6克重，相比于水黽來說它確實重多了，這似乎不具備利用水表面張力的能力。但壁虎有辦法，它有一身超級防水的皮膚和帶蹼的腳掌，通過四條腿大力拍擊水面，壁虎在它身體下方制造一個空氣的空腔，這時候水的表面張力會因為有恢復曲率最小化的趨勢，從而將壁虎的身體向上方推。與此同時，壁虎扭動他的身體和尾巴，尾巴像一支船櫓一樣驅動壁虎以1米/秒的速度在水面飛奔。

壁虎踩水的動作分解

人類如何利用表面張力？

愛喝酒的人經常喜歡用酒“掛杯”的情況來判斷酒的品質，其中就蘊含了表面張力的原理。

“掛杯”又稱酒淚，有人據此判斷酒的品質

葡萄酒主要是酒精和水的混合物，含有溶解的糖、酸、色素和香料。當我們晃動酒杯時，酒會附著在酒杯的內壁上，酒精揮發速度快，留在杯壁的酒中醇的濃度降低，水的表面張力增加，于是聚集成下落的水滴，像眼淚一般。如果你晃動酒杯時試著捂住杯口不松手，酒精沒有揮發出去，就不那么容易看到掛杯了。

人們制造防水的紡織面料，并用它來制造雨傘或衣服，這樣雨水落在上面會因表面張力迅速聚集成水滴滾落，這給我們的生活帶來了許多方便。

疏水的紡織面料，使水滴凝聚并滾落

防霧劑則是截然相反的例子，人們發明它是為了克服表面張力。當水氣遇到冷的玻璃或游泳鏡時，它會在表面聚集，形成一個個球形的小水滴，這種霧氣會阻礙我們的視線，甚至會帶來嚴重的安全風險。防霧劑可以將鏡片變成親水表面，這樣就可以克服水的表面張力，使它迅速在鏡面擴散成水膜而不是水滴，從而達到防霧目的。

防霧劑可以克服表面張力，帶來行駛安全

總結：

支撐鋼針不沉入水底的，除了水的浮力外，更多的是水表面受壓而形成的表面張力。因為水分子之間4個氫鍵的作用，水分子間擁有更大的凝聚力，水也因此具有比許多液體更大的粘性，因此水可以提供的表面張力也更大。

不只是水，其它的流體，包括溶化的金屬也都存在表面張力，這是由流體內部分子間的凝聚力決定的。

現在，你明白了吧？