什么是张力 原理是什么

原文作者：薛德堡

平时我们说张力，就是一种力量感。

但袅袅烟雾，就让你感觉很放松了。

艺术设计中，张力代表某种能激起人的紧张情绪的设计风格。

例如当你看到下面这幅图时，你的心就略微紧张了一点，因为那个球时刻就要滚下来了。

有时，张力还经常用来描述那种具有力量的文字。

这时候，张力是指通过一些着力的词或句子，让文字整体看起来更有穿透力，比如更具哲理性，能给人以力量，或者能调动人的情绪。

那么，在物理上，张力是什么呢？物理上的张力一般指表面张力，下面来讲讲。

表面张力主要是液体内分子之间的吸引力所导致的，也与其接触的气体、固体或液体的性质有关。

以水滴为例。水滴内部的彼此靠近的水分子之间存在吸引力，因此水滴内部的水分子在各个方向上都受到周围的分子吸引。当表面的水分子稍微向外移动一点时，它就会被附近的分子吸引回来。

因此，表面张力总是试图让液体分子聚集，从而导致液滴表面收缩，如下图所示。

张力沿着液体表面切向，对液面内经过某点处的一条线，张力是平行于表面，且垂直于该线的，如下图所示（注意：这里的那条线没画出，它垂直于屏幕）。

一般来说，张力的方向是指上述图中红色的箭头代表的方向，不是图中F所表示的方向！虽然张力形成的作用效果是F方向，但这不是张力直接作用的方向。

表面张力的强弱通常用参量γ来表示，它被定义为沿单位长度线的张力，故表面张力的测量单位为 SI 单位中的牛顿/米。不同表面的表面张力γ如下表所示。

 

液体	表面张力γ (N/m)
水（20°C）	0.073
水（100°C）	0.059
肥皂水（20°C）	0.025
酒精	0.022
甘油	0.063
汞	0.513

 

当不存在竞争性外力时，由于张力，液体系统将使其表面积最小化。

液体表面的分子被侧面和底部的相邻分子吸引而发生收缩，导致液体表面具有最小表面积，这就是为什么液滴总是呈现球状的原因。

肥皂泡为什么都是球形的？也同样是张力导致的。

下面杯子的水面上悬浮了一枚硬币，按说硬币的密度比水的密度大，浮力不足以平衡其重力，但为什么硬币却能浮于水面呢？

无它，唯张力使之也！

解释很简单。

如下图所示，靠近悬浮物表面处的液体分子产生沿着切向的张力，这让你想起什么力？不就是绳子的弹力吗？所以悬浮物就相当于被无数根细线兜起来了，所以它被悬吊起来了。

一般将同种分子之间的吸引力叫做内聚力，而将不同分子之间的吸引力叫粘附力。显然，液体的表面张力就是内聚力导致的。

若液体分子处于某固体表面，液体分子同时还受固体表面分子的吸引作用，也就是除了内聚力之外，还产生了粘附力。

内聚力导致张力，它使液体表面收缩，而粘附力则相反，它使液体在固体表面铺开甚至渗透到其内部，这就是润湿，也叫浸润。内聚力和粘附力的竞争决定润湿程度。

液体和固体表面之间的接触角θ是润湿程度的量度。该角度越小，表面张力越小，则润湿程度越大，反之则湿润程度越小。如下图，自左至右，分别代表润湿的三种情况。

在玻璃上，水会散开，因为水对玻璃是浸润的；但水银在玻璃上会形成液滴而滚动，因为水银对玻璃是不浸润的，如下图所示。

而作为具有金属光泽的水银。

水对植物的叶子是否浸润，取决于叶子是否有蜡质层。当有蜡质层时，水对其是不浸润的，例如荷叶就是如此。但当没有蜡质层时，水会在叶子上铺开。

对于容器中的液体，会形成弯曲的液面。它可以是凸的或凹的。凹下液面表明液体分子对容器材料的吸引力（粘附力）比彼此之间的吸引力（内聚力）更强。凸起液面表明分子之间的吸引力比与容器材料之间的吸引力更强。

编辑：黄飞