怎么在水面行走?

沼泽多令人恐惧啊。当我还是个孩子的时候,我的父母带我去了沼泽地,这让我非常不安。我特别害怕自己会被困在流沙里,身体一点点地被吞噬,自己无能为力。我想大概是我看过太多的“泰山”系列的电影了。不过从那时起,我便对流体世界很感兴趣,因为有些流体是非常罕见的存在。有些流动得很缓慢;有些流体在你击打它们的时候会变得僵硬;在有些流体上,你甚至可以行走。

流体是一种在分子间只有微弱引力的物质,可以在没有任何外力(阻力或是试图恢复其原始形态的力)的情况下改变形状。人们常说流体是以容器的形式存在的,比如说,你把水倒进杯子里,那流体就拥有了杯子的形状;你把水倒进瓶子里,流体就是瓶子的形状。我们日常生活中最常见的流体是水,没有水,生命本身就不可能存在(毕竟人体的70%都是水)。

我们往往用黏度来描述流体的特征。黏度指在外力作用下,流体对流动所表现的阻力。比如说,水的黏性很小,当我们把水从水壶里倒到杯中时,在重力的作用下,水会很顺利地流下来。相反,当我们把蜂蜜从罐子里倒在吐司上时,它流动得很慢,也就是说,蜂蜜是一种非常黏稠的**,而从罐子到勺子之间的涓涓细流很难被切断。黏度取决于分子间的相互吸引力,吸引力越强,流体的黏性越大。我们也可以讨论黏度近乎零的流体,也就是所谓的超流体,但我们在日常生活中很难看到它们,因为超流体的必需条件为温度接近于绝对零度(几乎所有的元素都会在绝对零度时冻结,但是你可以得到超液态氦,它有着惊人的特性,比如说顺着容器壁向上逃逸之类的)。

基本上,我们可以区分牛顿流体和非牛顿流体,前者的黏度是恒定的,如水、葡萄酒或汽油,而后者的黏度随温度及剪应力的变化而变化,如凝胶、血液或者植物树脂,当这些流体被留在容器中时会保持流动,一旦被外力压缩,则会变成固体。事实上,非牛顿流体最好用它在流变学[ 流变学:连续介质力学的一个分支,专门研究物体的变形与流动。

]中的其他的性质来定义,而不是用黏度来定义。举个例子,当你试图在非牛顿流体表面上轻轻、缓慢地行走时,你一定会陷下去,就像掉进了流沙中一样,但如果你以很快的速度行走并且重重地跺脚,你就能毫无困难地越过它。该特性在现实中有着成百上千的应用,比如塑料、胶水、有机硅、尼龙、橡皮泥、防滴涂料,还有防弹背心,它能吸收子弹撞击的能量,但又不妨碍我们穿着它灵活移动。

科学逸事:怎样在课堂上制造出一个非牛顿流体呢?YouTube上有很多相关视频,你只需要将玉米淀粉和水以3 : 2或者4 : 2的比例混合,就能成功地制造出既便宜又无害的“欧贝克”[ 在儿童故事《巴塞洛缪与欧贝克》中,主角需要将他的王国从一种叫作“欧贝克”的黏性物质中拯救出来。

],你可以慢慢、轻轻地把手伸进容器里,检查手是否能像浸入水中一样浸入非牛顿流体中。接下来,你可以试着用锤子或者拳头猛击流体表面—千万要小心,别伤到自己—因为你的手或锤子会反弹,别忘了好好观察自己惊讶的表情。

类似地,你可以在这种流体上面行走而不会下沉,但又无法在上面静立,当然,除非你是耶稣基督—圣经故事里记载,耶稣可以在属于牛顿流体的水面上行走。顺便说一下,在电视科普节目《蚁窝》或电视剧《生活大爆炸》中都用非牛顿流体做过类似的实验。几十年前,我玩过一种绿色的鼻涕胶,它确实是一种介于**和固体之间的物质—虽然当时的我并不知道。

相反,有些流体在受到外力时,并不会固化,而是更加液化。番茄酱和酸奶都是很好的例子,当你搅拌它们或者把它们从容器中倒出来时,它们会更容易流动。颜料也是个很好的例子,当用画笔或油漆刷挤压时,颜料会更容易涂抹在画布或墙壁上,但之后又会变得更固体化,这正是我们想要的。只要施加一些外力来克服内部的相互吸引力就足够了。

你也可能见过蛇怪蜥蜴、蜘蛛和其他能够在水上行走或停留的昆虫。但是,既然水是一种黏度恒定的流体,怎么可能会出现“水上漂”现象呢?这涉及另一个概念—表面张力。

由于分子间的内聚力,**的表面就像一块不容易断裂的弹性帆布,而这个把表面连在一起的力就是我们所说的表面张力。如果我们想把食指伸进一杯水中,我们必须施加一个很小的力来克服水的表面张力。对人类而言,这种力微乎其微,我们根本感觉不到,然而有些昆虫很轻,它们无法用自己的体重打破这种张力,这就是为什么它们可以栖息在水面上,就像我们能够站在沥青地面上一样。蛇怪蜥蜴(也被称为“耶稣蜥蜴”) 能够以极快的速度在水上行走,正是利用了水面的表面张力特性。

表面张力还会造成其他可见现象,如液滴的球形。这是一种自然界中需要最小能量来维持的几何形状,因此当两个球形液滴聚集在一起时,它们立即会变成一个更大的球形液滴。如果有时水滴呈椭圆形,比如从水龙头里流出的水滴,那就是由于重力的作用。要知道,地球上的任何物体都无法逃脱重力对它们施加的作用。

我把“在水上行走是可能的吗?”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论:

Twitter

@redex: 只要水坑不是很深的话,当然有可能。

@Angel_Agudo_: 如果能把水冻起来,别说走路了,就连滑冰我都能做到。

Facebook

@Божидар Фильов: 当然可以—如果你是耶稣、魔术师迪纳摩、国家地理杂志里的蜥蜴,或者把水冻上。认真点答题的话,人类的重量太大了,脚底板又不够大,没办法在**状态下的水面上行走。我希望能有一些疯狂的科学家正在研究让人可以在水面行走的发明。

@Jony Romero: 你漏了闪电侠和悟空。

@Mery Riba Senar: 如果你住在Hoya de Huesca地区的Aguas(“水”的西语表达)小镇的话,是可以在“水”上行走的。