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橢球形的小水滴為什么會變成球形?

來源:知乎 瀏覽 1487 次 發(fā)布時間:2021-07-23

在無任何其他外力(包括重力)的情況下,橢球形的小水滴最終會變成球形,根本原因是什么?

我一共搜索到如下三種解釋:


解釋一:由于表面張力。表面張力的產(chǎn)生原因:由于水滴表面與空氣接觸,所以表面水分子比內部水分子稀,分子間距離增加導致分子間引力起主要作用,這使得整個水滴表面的水分子繃得很緊,這個平行于表面的力就是表面張力。


解釋二:由于表面張力。表面張力的產(chǎn)生原因:“每個內部的水分子在各個方向上都受到周圍水分子的拉力,所以合力為0。然而,表面的水分子不是每個方向上都有相鄰的分子來提供一個平衡的合力,取而代之的是它們被周圍的分子拉向水滴的內部”

解釋三:因為液體表面的分子的能量要比內部分子高,系統(tǒng)會自發(fā)的將表面能降低到最小,球的表面積最小,所以會變成球形。


這三種解釋,都不能解決我的疑惑。我把我的疑惑再用更具體的方式表述出來:

如下圖,為什么水分子A會向中心運動,而水分子B卻遠離中心?


針對解釋一,我的想法是:


按這個意思,如果我有辦法將一個橢球形的水滴表面水分子變得不稀疏,表面張力就沒有了?橢球形的水滴就不會變成球形了?!我猜不是,所以我暫時認為解釋一是錯的。


針對解釋二,我的想法是:


在一個球形的水滴里,按照這個說法,外部水分子不斷地向內運動?!


在一個球形的水滴里,無論表面或者內部的水分子,難道不是各個方向既受引力又受斥力所以合力為0嗎?!所以我暫時覺得解釋二也是錯的。


針對解釋三:


“系統(tǒng)自發(fā)的將表面能降低到最小”,意思是水分子A運動之前還得算一下整個系統(tǒng)的能量?!看看是多大!要不是最小,就運動,要是最小就老實呆著???解釋三沒有解答我的疑惑。


針對我這個更具體的問題,我自己是猜測如下:


為了使我的想法容易被理解,我用下面的示意圖來闡述。

有兩根相通的管子,里面有8個水分子。


不考慮分子振動,由于位置對稱,每個分子受到的合力為0,所以這8個分子靜止。


此時,將水分子E突然拿走,那么B受到合力向上。

(B受到合力向上的原因:


對最開始E分子做受力分析,E受到其他所有分子的引力和斥力,合力為0,即

分子A、G、H、C、D和F對E的引力大于斥力,所以B對E的斥力大于引力,所以E對B的合力是一個對B向下的“壓力”,所以將E拿走后B受到的合力向上)


所以B向上運動。


只要B向上運動一點點,G受到的合力就向右,G向右運動,最后同理A也向右運動。


所以我猜橢球形的水滴變成球形也是這個道理。


我的第一個問題是,以上我的理解有哪些錯誤的地方?當然,我根本的目的是想從本質上了解為什么橢球形的水滴會變成球形,不給我挑錯直接解答我的疑惑也可以。如果有相關方面的經(jīng)典參考文獻,也請幫忙推薦一下。


第二個問題是,使水分子連接在一起的力是氫鍵,那么使橢球形的水滴最終變成球形的力是范德華力嗎?

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