《科學探索》你知道OREO怎麼吃最好吃?

曾耀寰(中研院天文所) |2008.03.30
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上次提到奧利奧餅乾放到牛奶裡,牛奶會向上浸潤,從向上浸潤的距離與時間長短的關係,發現距離的平方和時間成正比,這和擴散現象的預測結果相符。但擴散現象是和分子的無規行走(random walk)有關,分子可以在各個方向任意活動,但牛奶在奧利奧餅乾的浸潤方向是向上,擴散理論似乎有些牽強。

另一種稱之為毛細現象也和奧利奧餅乾浸潤過程相似。日常生活中就可以看到毛細現象,將很細的吸管直立放入盛水的杯子中,仔細觀察吸管內的水面要比吸管外的水面高,完全無須外力,好像有無形的吸力將水沿著吸管拉起(如圖)。

埃及人使用蘆葦沾墨水寫字,也是毛細現象的應用,但要到二百多年前才有兩位科學家正確地解釋毛細現象。一位是英國的楊氏(Thomas Young),一位是法國的拉普拉斯(Marquis de Laplace)。著名的光學雙狹縫實驗就是楊氏所設計的,證明光是一種波,和水波一樣有干涉的現象,拉普拉斯則有法國牛頓的美譽,無論在數學和物理都有重要的貢獻。這兩位科學家各自獨立研究毛細現象,發現毛細管內的水面並不是水平面,而是向下凹陷的曲面(如圖),他們認為曲面四周較高的部分應該是受到吸管壁的吸引所造成的,而曲面的形成則是和水面分子的表面張力有關,這個曲面可以想像成一張四周懸掛的吊床,水分子之間的吸引力努力想要讓水的表面積最小,使得曲面的兩側形成了壓力差,也就是說兩側的壓力不同,促使毛細管內的水面上升。

楊氏和拉普拉斯更進一步發現毛細管口徑和水面上升高度之間的關連,對純水而言,半徑一毫米的毛細管可以使水上升十四毫米。毛細現象也出現在人體血管內,十九世紀法國醫師泊肅葉(Jean-Louis-Marie Poiseuille)研究血液在血管內流動的快慢,發現流體在毛細管內的流速和毛細管內的壓力、口徑以及流體黏稠度有關,配合上楊氏和拉普拉斯的研究,可以推論出毛細作用升高高度的平方和所花的時間成正比,這和奧利奧餅乾浸潤實驗符合。毛細作用除了運用在血液循環,也是高大植物的水分輸送動力來源,蠟燭也利用毛細作用燃燒。

想想看,還有哪些地方用到毛細現象?

(下)

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