文／簡麗賢

日前受邀至市立圖書館演講生活中的趣味物理，一個國小五年級學生問我：水蜘蛛為何可以在水面迅速滑行。我讚美她問得好，萬物靜觀皆自得，處處留心皆學問，鼓勵她繼續保持好奇和勇於提問。

水蜘蛛就是「水黽」，體狹長，色黑褐，長約1公分，群集池沼水面，捕食小蟲，能馳躍。水黽為何能在水面迅速滑行，活像水上飄呢？大哉問。

水黽可以在水面上快速行走，鐵製縫衣針也能浮在水面上，很不可思議？這是液體奧祕的性質，與液體的表面張力（surface tension）有關。水黽在水面上滑行時，腳其實沒有沉在水中，反而像把水面「踩凹」，而水面如同一層「彈性膜」支撐著水黽，不讓牠沉下。

為何水或其他液體具有表面張力呢？就物理學能量的觀點，表面張力是液體企圖獲得最小表面位能的趨勢，是液體表面傾向於縮小其表面積的物理特性，是一種沿著液體表面且與表面切線方向作用的力。

表面張力讓液體表面像一層繃緊的皮，試圖將所有液體向中心拉攏。更深入地說，液體會傾向於縮小面積，是因為液體分子之間存在強烈的吸引力，使得表面分子不斷地被向內拉。當表面積愈小，處在不穩定邊界的分子就愈少，系統整體的能量狀態會變得更加穩定。這種「追求最小面積」的本能，是具有表面張力液體的共同特性，這也是為什麼水滴是圓的理由。像空中的水滴或水龍頭滴出的水滴，這種表面往內縮緊的力量，就會使水滴形成表面積最小的狀態。數學分析體積固定時的最小表面積是球面，因此空中落下的小水滴都會呈現球狀，如葉片上的露珠。

內聚附著 力量拉扯



物理學家研究發現形成液體表面張力的主要原因，是液體分子間的作用力，像凡得瓦力的「分子力」，同一類分子間的吸引力稱為「內聚力」（cohesion），例如水分子與水分子的吸引力就是「內聚力」；不同類分子間的吸引力則是「附著力」（adhesion）」，例如水分子與玻璃杯間的吸引力。管壁的水分子同時受到內聚力和附著力的拉扯。

表面張力 毛細現象



表面張力會受到分子力的影響，而分子間的吸引力則受到分子種類、溫度以及摻入雜質的影響，例如水在不同溫度時，會呈現不同的表面張力，高溫時，水分子間距較遠，吸引力變弱，表面張力就小。

大自然的植物內部水分的傳輸途徑，仰賴根的木質部，把水從較低處傳輸至高處。從物理學的重力觀點，這是抵抗重力的傳輸方式，怎麼做到呢？答案是「毛細現象」。「毛細現象」應是讀者熟稔的名詞，指液體沿著管壁內緣移動的現象，現象的背後隱藏液體神奇的特性。

植物內部的木質部可視為很細的毛細管，透過毛細現象把水從較低處傳輸至高處。如果把口徑很小的玻璃管插入水槽中，可以看到管內上升的水柱高度會超出槽中的水面，這是「毛細現象」。管的口徑愈小，毛細現象就愈明顯。這種口徑細小的玻璃管被稱為「毛細管」。

從微觀角度而言，水分子具有化學性質的「極性」和「氫鍵」，這是水分子間具有內聚力的原因。在細玻璃管的水面會比管壁的水面略低，也就是中間部分略呈凹陷，是因「管壁與水分子之間的附著力」略大於「水分子與水分子之間的內聚力」，附著力把管壁的水往上稍微拉升。反之，若附著力小於內聚力，如水銀，液面則呈凸出現象。

前面提到毛細現象如植物內部水分傳輸途徑仰賴毛細管的木質部，把水從低處傳輸至高處，再由莖部的維管束毛細作用，分散至莖部各處。其他如土壤中的水分經由毛細現象，將水由潮溼處傳輸至乾燥處；毛筆蘸墨汁後，墨汁沿細管爬升，紙巾沾到水而逐漸濡溼，海綿透過孔洞的細管作用而吸取大量液體，皆是毛細現象。

大自然是一部科學書，水上飄與毛細現象蘊含液體的科學奧祕。