失重环境下的水滴会形成标准的圆球，为什么？因为有表面张力

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晨起叶片上的露珠会形成温润的半球体，而失重环境下的水滴则会形成一个完美的圆球，这是为什么呢？

听起来这个问题好像十分简单，半球体的露珠是因为重力的作用，而完美的球形水滴则是因为没有重力的影响，的确如此，但问题是，为什么有重力作用就一定形成半球，而失重环境下就一定形成圆球呢？它们为什么不能形成三角形、正方形，又或者是梯形呢？如果说这些形状过于诡异，那么椭球体呢？失重环境下的水滴为什么不能形成椭球体，而非得是一个标准的圆球呢？这一切都源于四个字，那就是“表面张力”。在生活中我们经常会听到表面张力这个词，但对于表面张力到底是什么，可能就不那么清楚了。

要弄清楚表面张力到底是什么，首先就得先弄清楚什么是表面。

物理学上所讲的“表面”与我们生活中所说的“表面”是有一定区别的。自日常生活中，任何物体的面我们都称之为“表面”，这与该物体是处于何种环境之中并无关系，但物理学上所讲的表面就有所不同了，物理学上所说的表面指的是“凝聚相”与气体或真空之间的分界面。在自然界之中处于凝聚态的物质有很多，而我们最为熟悉的凝聚态就是通常所说的液态和固态，所以在这里我们也可以把凝聚相简单地理解为固相和液相。以叶片上的露珠为例，它与空气相接触的面就是它的表面。

物理学上除了有“表面”的概念之外，还有“界面”的概念，所谓界面就是凝聚相与凝聚相之间的分界面。

可见，表面就是固体或液体与空气或真空相接触的面，而界面就是固体或液体与其它固体或液体相接触的面。明确了表面与界面，接下来就该说说表面能与界面能了。物体的表面是具有能量的，为什么呢？让我们想一想，在一个水滴的内部，水分子是均匀分布的，每一个水分子都被其它水分子所包围，但是在这个水滴的表面，情况就有所不同了，在水分子与空气或真空接触的地方，外面并没有其它的水分子，也就是说在接触面上几乎没有任何作用力。

表面之外没有作用力，这使得表面的水分子变得更加活跃，于是就产生了能量，这股能量就被我们称之为表面能。

表面能是从何而来的呢？是致使表面产生的力所赋予的。比如，我们要将一滴水分成两滴水，就必须要给它一个力，比如弹它一下，弹完之后，水滴一分为二，表面积增加了，而我们弹的这股力就成为了新增表面的表面能。如果我们要将一根铁棍一分为二，显然要比将水一分为二花费更大的力气，所以铁的表面能要远超水滴。表面有表面能，界面自然也有界面能，只不过对于界面而言，两种物质的差异越大，那么界面能也就越大。

弄懂了什么是表面能，接下来就要说说表面张力了。

现在先让我们回到最开始的问题上来，为什么叶片上的露珠呈半球体，而失重环境下的水滴呈现出完美的球形？因为无论是半球体，还是球体，它们都是一种表面积最小的形状，因为在体积相同的情况下，球体的表面积是所有形状中最小的。为什么要保证表面积最小？因为在自然界之中，所有的物质都要遵循“最小能量原理”，所谓最小能量原理指的就是物质必须要以最小能量的状态存在。很显然，表面能与表面积是正相关的，表面积越大，表面能就越大，所以要遵循最小能量原理就必须要使表面积保持最小形态，于是水滴就变成了个完美的球体。

水滴要变成一个完美的球体，而要想变成一个完美的球体就必须依靠一个作用在表面上的力，这个力就是“表面张力”。

力不会凭空产生，表面张力从何而来？当然是从表面能而来，事实上，所谓的表面张力就是单位面积上的表面能，如果列成公式就是表面张力等于表面能除以面积。可见，表面张力与表面积的大小无关，也就是说无论大水滴，还是小水滴，它们的表面张力都是相同的，不同的只是表面能而已。弄明白了什么是表面张力，我们也就知道了困在水滴里的小蚂蚁为什么爬不出来了，想要冲破水滴，就需要有比水滴表面张力更大的力气，而小蚂蚁的力气显然有些不够。