表面张力
最小的表面，最大的舒适度

人人都知道水是液体，至少在室温和常压下是液体。这意味着液体无法保持固体形态，而是可以在你的允许下流到并填充任何空间。液体不会抵抗任何让它的形状发生改变的力。

显然，对我们来说，非固体形态的水（其实此处可以理解为任何液体）再自然不过了。可怎么有些昆虫能在池塘的水面上行走而不会沉没呢？为什么被小心地放在水面上的曲别针可以漂浮？它明明是金属做的，为什么它不沉？最后，为什么人能把超出杯子容量的水全都倒进去？

答案是：水的表面不是可完全塑形的。水面和水下的情况完全不同，水下的水几乎无法抵抗让其变形的力量，而水面有一种刚度，称为“表面张力”。要理解表面张力，你需要更近地观察水处于液态时不同的水分子排列组合的方式。大家可能都知道，水分子包含一个氧原子（O）和两个氢原子（H），它们结合在一起。然而，氢原子与其同属一个水分子的氧原子结合在一起，这并不意味着该氢原子就不会与其他水分子中的氧原子靠近了。这么说吧，氢原子可是相当……花心的家伙。不过，对此氧原子似乎不以为意，因为反正它一样可以与更多的其他水分子中的氢原子建立联系。来自不同分子中的氢原子与氧原子的结合也称为氢键。

一种“相”而已：水的不同形态

这一小节的重点是，水分子并非彼此独立的，它们之间有着微弱的吸引力。这种吸引力并不强，但它依然存在，而且在水所处的“相”中起着非常重要的作用。这里基本有三种主要情况：

如果水非常冷，那么水分子的运动就都十分缓慢，没有太多能量移动。于是，它们之间的吸引力足够强大，可以让它们紧密结合在一起。这样一来，水就成了固体，也就是冰（在这种形态下，分子彼此相依，形成美丽的冰晶或雪花，这又是另一个话题了）。

相反，如果水非常热，分子运动非常快，有足够的能量到处乱窜。这种情况下，氢键的吸引力就不足以将它们结合在一起，水就变成了气态。在气态中，每个原子都在独自左冲右突。它们偶然会碰到其他水分子，反弹出去，然后与别的原子碰撞；不过还要注意，每个水分子都是独立的。

还有一种中间情况，水既不特别热，也不特别冷：在这个特殊情况下，水分子有足够的能量，可以不必和其他分子完全结合在一起。氢键反倒是可以偶尔放松一点。然而，一个水分子又没有足够的能量完全摆脱其他邻居。这是非常关键的一点：一个水分子总是需要其他分子待在它附近。但是这些邻居并不需要始终是同一批分子。也就是说，有些分子可以离开它们原来的位置，只要其他分子能替代它们上岗即可。所以这些分子可以改变它们的相对位置，这就是水可被完全塑形的原因。

人人都想踏入舞池

如果说固体的冰就像拥挤的地铁车厢，里面的人谁都动弹不得；那水蒸气就好像一片开阔的场地，只有几个人在场地里跑动。而液相的水最合适的类比是舞池：里面通常有着密集程度适中的人群，不至于让跳舞的人挪不开步子、无法寻找新的舞伴，而舞池外的人总是在尝试着踏入舞池，因为和大家一起跳舞感觉棒极了！

对于水分子来说，这样的类比是相当形象的，事实上几乎每一种液体都可以这么类比。内部的分子被其他分子的各个面包围着，可它们之间的吸引力微乎其微。只要这些粒子始终被其他分子包围着，它们就可以自由移动。但是，对水面的分子有吸引力的分子都在水面之下，水面之上的空气分子对它们完全没有吸引力。所以这些分子才聚在一起，努力想进入水下。这种情形会让整个表面处于张力之下，比液体内部更具刚度。事实上，这种刚度足以让小昆虫在水面行走，不必担心沉没。

大小是重要的：表面越小越好！

这种表面张力是水成形的非常重要的结果：如果没有其他力（比如重力、冲浪板的压力或潮汐力）的影响，水总会努力形成表面区域尽可能小的形状。对于一定量的水来说，这种形状就是球体——这便是水会形成水滴的原因。

因此，如果国际空间站上的一位宇航员把饮料弄洒了，液体不会四处飞溅，而是会以许多小水滴的形式飘浮在宇航员周围。不过，在地球上，重力比水的表面张力更大。所以，如果你将水倒入形状古怪的玻璃杯中，重力会立即将水压成杯子的形状。但是水银的情况略有不同：水银（在室温下）是一种液态金属，其表面张力大约是水的七倍。如果你将一杯水银洒了，它会在地板上迅速形成一个个小球。不过，你可千万别做这种事——水银有剧毒！

有了表面张力，清洁是种美德！

事实上，荷叶为了避免把自己弄脏，就利用了水总是形成表面尽可能小的形状这个特性。大多数植物叶子的表面都相当平滑。雨水可以待在这些叶子上，使其保持湿润。不过，荷叶的表面结构非常特殊：在显微镜下，你可以看到它的表面覆盖着许许多多的小丘，就好像叶子起了鸡皮疙瘩。如果一滴水落在叶子上，它无法接触到整个叶面，而是会待在这些小“鸡皮疙瘩”的尖儿上。那是因为水要和整个叶面接触，它的表面得非常大才行，不然无法填满叶面的每一处沟壑。可这正是水极力避免的情况，因此水会让自己保持水滴的状态。这样一来，水接触的实际叶面就非常小了；另外，水滴不会缓缓从叶子上滴下，而是会轻松“滚落”。滚落时，水滴还会带走许多灰尘，而不是从灰尘上飘过。所以说，荷叶利用了水的表面张力保持自身的清洁！