睡覺的時候4歲女兒問我,為什么所有的泡泡都是圓的,怎么沒有三角形的?我該怎么回答?
原理上,這是因為水的表面張力是在任意方向一致均勻的。當(dāng)然,這句話小孩子不可能聽懂。
在圖像上,氣泡的形成是因為空氣鉆進了水滴里,把水滴撐大了。這句話小孩子可能聽懂。聽不懂的話,可以做進一步解釋:
空氣是有壓力的,可以把很重的東西頂起來。
空氣的壓力不僅向下頂,也向上頂,向左和右頂,空氣的壓力是向四面八方的。
空氣鉆進了水滴里,空氣的壓力就會把水滴向四面八方頂,也就是向外撐,水滴就會被撐大。
水滴被撐大以后,外面有一層水,里面全是空氣。
水滴被撐得越大,外面的水層就越薄,里面的空氣就越大。
這就形成了氣泡,氣泡的外面是薄薄的一層水,里面包著一團空氣。
因為空氣的壓力向四面八方是一樣大的,所以空氣把水滴撐大以后,各個方向撐得也一樣大。各個方向都一樣大是什么形狀呢?就是一個球形。
接下來,孩子可能會問兩個問題
第一個問題:氣泡里面的空氣為什么會變大呢?為什么不是縮成小小的一團?
——那還是因為空氣壓力,空氣總想向外頂,水被空氣撐開了,空出了空間,空氣就會散開來占滿空間。
那空氣和空間有什么關(guān)系?
空間就是裝任何東西的地方,可以裝水,可以裝空氣,也可以裝土,石頭,人,和小兔子??諝馓厥獾牡胤?,就是它向四面八方都有壓力,所以哪里有了空出來的空間,空氣就會占滿哪里。
空氣有個特點,同樣多的空氣,占的空間越小,壓力越大,占的空間越大,壓力越小。就好像人穿的衣服,衣服小,會覺得緊,衣服大的話,就覺得寬松了。
第二個問題:
空氣把氣泡撐大了,那會撐到多大?會不會撐破?
——氣泡外面的水層,原本只是個小水滴,它是被空氣給撐大的。但是水滴也有自己的力量,它不是任由空氣給撐大。對空氣向外頂?shù)膲毫?,水也會抵抗?/p>
水的這種抵抗,其實也是一種力,它叫做表面張力,也就是在一個東西的表面上存在的力。比如把手從水里往外拿,在最后離開水面的時候,會覺得手在水面處卡了一下,這就是因為水的表面張力。我們說的蜻蜓點水,或者用小石頭打水漂,都是因為水有表面張力。
表面張力就好像是四個小朋友拿一張床單,一人拉著一個角,用力把床單繃直,這時候床單上就可以放東西了,比如能放一個枕頭。用這種辦法,工程師發(fā)明了懸索吊橋,靠著懸索的張力,吊橋可以支撐很重的東西,比如火車和大卡車。所以說,表面張力是一個東西受到壓力以后,它的表面被撕扯或拉扯的時候出現(xiàn)的,表面張力使東西的表面不容易因為受壓力而斷裂或撕裂、讓它的表面盡量保持固定。
那氣泡外面的水層是怎么抵抗空氣壓力的呢?當(dāng)水被空氣往外頂?shù)臅r候,水滴表面就會被拉扯,這就像是把橡皮圈向外撐一樣。這時候水的表面張力就有用了,它會抵抗空氣這種向外撐的力量,讓水滴表面不被撐破。
水的表面張力也有一個特點,就橡皮筋拉的太長就會斷一樣,水面被拉扯的太厲害,也會撕破。
氣泡的形成是從小變大的。一開始,氣泡還小的時候,空氣占的空間小,壓力就大,比水的表面張力要大,水滴抵抗不了里面的空氣向外頂?shù)膲毫Γ蜁粨未?。水滴被撐大了,空氣占的空間大了,壓力就會變小,逐漸可能變得跟水的表面張力一樣大,這時候,里面的空氣和外面的水層,一個向外頂著,一個向里繃著,誰也推不過誰,形成了平衡,氣泡就停止變大,大小就固定了。
有的時候,水滴里進了太多的空氣,哪怕氣泡已經(jīng)夠大了,空氣的壓力仍然很大,還是比水的表面張力大,這樣氣泡就會一直變大,就好像橡皮筋拉得太長會斷,氣泡撐得太大也會撕破。
所以最后,我們知道了一個基本的道理——氣泡是水和空氣一起形成的,是空氣鉆進了水滴里形成的,氣泡能長多大,跟氣泡表面里的水有多少、里面的空氣有多少有關(guān)系。吹泡泡的時候要屏住勁兒,不能吹的太猛,一個原因就是為了控制好水和空氣的比例。