为什么菜油倒海上能救命?这道题美国学霸国父也不会做

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2020-04-08 11:23

中学物理有一道经典的题,那就是用油铺在水面上的面积估算油分子的直径。

这是一个正经的物理实验,不是命题组老师为了为难你瞎编的。第三代瑞利男爵、欧文·朗缪尔等物理学家就在一百年前做过。可是,这个实验还有个更有趣的副本,许多人没有玩过。

是这样的,这层油花,可以平息海浪。

有人已经做过了这个实验,把普通的食油biu倒入池塘(不环保动作,请勿模仿),然后池塘就镜面化了。我们一起来看看效果——

看到木有,浪不起来了,仿佛这个世界雨我无瓜。

如果在航海的时候在船附近撒上油,是不是就可以面对疾风,乘风破浪了呢?

没错,这就是镇浪油的起源。水手在遇到大风大浪的时候,会把船上的菜油全部倒到海里,让船体附近变得平滑可导。

古代就有这样的镇浪油技术了,最早可以追溯到公元前350年亚里士多德的记载。亚里士多德说,潜水者在下潜前会在水面撒上一层油花,这样子海面就会变得局部平静,日光就可以射入潜水区域了。

捕鲸船在穿越深水区时也会在船上挂上鲸脂,给海面抹油。

近代在执行营救任务的时候,搜救船只也常常带着镇浪油油壶。比如,英国1894年制定的《商运法》(Merchant Shipping Act)就要求英国船只携带镇浪油。

镇浪油袋 图片来源:rmg.co.uk

泰坦尼克号的时代赶上了这部《商运法》,所以泰坦尼克号上的救生船也有镇浪油。理论上,泡在水里的杰克身上应该是油乎乎的,肉丝可以把他点亮取暖。

美国海运管理处(United States Maritime Service)的训练手册里就包括在救生艇上塞入镇浪油。美国海岸警卫队(USCG)也曾要求救生艇携带镇浪油,不过在1983年,这个要求被取消了。

实际上,我们在海面上看到的不少石油并不是意外泄漏,而是故意放出来的镇浪油。比如在1973年3月18日,在波多黎各西南部航行的油轮 Zoe Colocotronis 就把150万加仑的原油倒入海中,方便船只航行。

英语里有 to pour oil on troubled waters(息事宁人)的习语,也是从这个现象来的。

那个玩闪电的男孩、美国开国元勋兼科学家富兰克林也和镇浪油发生过交集,他还用这一招迷惑了不少小朋友。

1757年,在加拿大新斯科舍(Nova Scotia)附近航行的时候,富兰克林注意到有两艘船附近的海浪很平静。富兰克林从船长那里得知,这两艘船的厨子把油撒到了水面上。

一开始富兰克林自己都不信油有这样的作用。有一次在英国南部克拉珀姆(Clapham)的大风天里,他把油倒在池塘上,结果附近果然没有起浪。

看到了这一幕,富兰克林就有了耍人的想法。

他经常拿着自己蘸着油的竹拐杖,告诉大家他要在水上徒手开平方了。然后他走到池塘附近,用拐棍在空中划三次,果然开出了个平圆,水面的皱纹都被弹走了。同行的小伙伴演员 David Garrick、法国哲学家 Abbe Morellet 都惊呆了。

富兰克林后来把这个现象和英国皇家学会的会员 William Brownrigg 讨论了一番,但是没有讨论出什么结果。

那么,为什么油能够镇浪呢?

这和油的性质有关。

首先,油在湖面上形成的这层油花,有且仅有一个分子那么厚,和你习题册里描述的一样。

三油酸甘油酯 图片来源:wikipedia

为什么只有一个分子呢,这是因为油的主要成分——三油酸甘油酯分子的一面有一个亲水基,这个亲水基带负电荷,和水中带正电的水合氢离子H3O+结合起来,发生亲水搅基作用。

所有的油分子都想和H3O+亲亲,只要给足够多的时间,它们也确实能做到,因此最后水面的油层就只有一个油分子那么厚,而且都是面朝大海,屁股开花的姿势。

说油酸分子屁股开花是因为,三油酸甘油酯分子的另一端还有三个甲基(CH3),它们不喜欢水。和水接触后,它们仨就直直地插出水面,拗出开花的造型。

这些姿势奇怪的油酸分子,实际上就变成了一个弹力面膜,这个弹力面膜有阻尼的作用,能够吸收波浪的能量。

那么,镇浪油具体是怎么吸收能量的呢?

2007年,斯坦福大学的物理学家 Peter Behroozi 和同事在 American Journal of Physics 上发表了一篇论文,用激光干涉计兴致冲冲地研究了镇浪油的原理。

你大概认为镇浪油主要是靠表面张力?就像百度知道描述的那样?

别听他乱讲哦

其实不是,他们发现油花主要是靠吉布斯表面弹性(Gibbs surface elasticity)的作用弹走鱼尾纹的,表面张力只起到了次要的作用。

具体来说,当波向右传播的时候,油花内部产生了纵波,也就是像抖抖抖的弹簧那样,振动方向与波的传播方向平行的波。

纵波

油花纵波的波峰和波谷的运动方向相反,这样的运动方式使油层和水之间产生了相当大的剪切力,压制了浪花。

在下方的波浪的推动下,三油酸甘油酯单分子层(竖起来的那一排)内部产生了纵波。图片来源:(DOI)10.1119/1.2710482

为了证实的确是吉布斯表面弹性,而不是表面张力或黏度的作用, 这些物理学家还用水和丙酮的混合液做了实验。

他们发现,虽然水和丙酮的混合液的表面张力和橄榄油类似,但是却还是能浪,这证明油层带来的表面弹性是真的重要。

划船不靠桨全靠浪,去皱不靠揉全靠油。

PS:为了保护生态环境和各种动植物,请不要模仿向江河湖海里倾倒菜油的行为。

(原标题 为什么菜油倒海上能救命?这道题美国学霸国父也不会做)

    责任编辑:张唯