為什麼菜油倒海上能救命?這道題美國學霸國父也不會做
2020年04月08日11:23

原標題:為什麼菜油倒海上能救命?這道題美國學霸國父也不會做

中學物理有一道經典的題,那就是用油鋪在水面上的面積估算油分子的直徑。

這是一個正經的物理實驗,不是命題組老師為了為難你瞎編的。第三代瑞利男爵、歐文·朗繆爾等物理學家就在一百年前做過。可是,這個實驗還有個更有趣的副本,許多人沒有玩過。是這樣的,這層油花,可以平息海浪。
有人已經做過了這個實驗,把普通的食油biu倒入池塘(不環保動作,請勿模仿),然後池塘就鏡面化了。我們一起來看看效果——

看到木有,浪不起來了,彷彿這個世界雨我無瓜。

如果在航海的時候在船附近撒上油,是不是就可以面對疾風,乘風破浪了呢?

沒錯,這就是鎮浪油的起源。水手在遇到大風大浪的時候,會把船上的菜油全部倒到海里,讓船體附近變得平滑可導。

古代就有這樣的鎮浪油技術了,最早可以追溯到公元前350年亞里士多德的記載。亞里士多德說,潛水者在下潛前會在水面撒上一層油花,這樣子海面就會變得局部平靜,日光就可以射入潛水區域了。
捕鯨船在穿越深水區時也會在船上掛上鯨脂,給海面抹油。近代在執行營救任務的時候,搜救船隻也常常帶著鎮浪油油壺。比如,英國1894年製定的《商運法》(Merchant Shipping Act)就要求英國船隻攜帶鎮浪油。
鐵達尼號號的時代趕上了這部《商運法》,所以鐵達尼號號上的救生船也有鎮浪油。理論上,泡在水裡的傑克身上應該是油乎乎的,肉絲可以把他點亮取暖。
美國海運管理處(United States Maritime Service)的訓練手冊里就包括在救生艇上塞入鎮浪油。美國海岸警衛隊(USCG)也曾要求救生艇攜帶鎮浪油,不過在1983年,這個要求被取消了。

實際上,我們在海面上看到的不少石油並不是意外泄漏,而是故意放出來的鎮浪油。比如在1973年3月18日,在波多黎各西南部航行的油輪 Zoe Colocotronis 就把150萬加侖的原油倒入海中,方便船隻航行。

英語里有 to pour oil on troubled waters(息事寧人)的習語,也是從這個現象來的。
那個玩閃電的男孩、美國開國元勳兼科學家富蘭克林也和鎮浪油發生過交集,他還用這一招迷惑了不少小朋友。
1757年,在加拿大新斯科舍(Nova Scotia)附近航行的時候,富蘭克林注意到有兩艘船附近的海浪很平靜。富蘭克林從船長那裡得知,這兩艘船的廚子把油撒到了水面上。

一開始富蘭克林自己都不信油有這樣的作用。有一次在英國南部克拉珀姆(Clapham)的大風天里,他把油倒在池塘上,結果附近果然沒有起浪。

看到了這一幕,富蘭克林就有了耍人的想法。

他經常拿著自己蘸著油的竹枴杖,告訴大家他要在水上徒手開平方了。然後他走到池塘附近,用拐棍在空中劃三次,果然開出了個平圓,水面的皺紋都被彈走了。同行的小夥伴演員 David Garrick、法國哲學家 Abbe Morellet 都驚呆了。
富蘭克林後來把這個現象和英國皇家學會的會員 William Brownrigg 討論了一番,但是沒有討論出什麼結果。

那麼,為什麼油能夠鎮浪呢?

這和油的性質有關。

首先,油在湖面上形成的這層油花,有且僅有一個分子那麼厚,和你習題冊里描述的一樣。

三油酸甘油酯 圖片來源:wikipedia

為什麼只有一個分子呢,這是因為油的主要成分——三油酸甘油酯分子的一面有一個親水基,這個親水基帶負電荷,和水中帶正電的水合氫離子H3O+結合起來,發生親水攪基作用。

所有的油分子都想和H3O+親親,只要給足夠多的時間,它們也確實能做到,因此最後水面的油層就只有一個油分子那麼厚,而且都是面朝大海,屁股開花的姿勢。

說油酸分子屁股開花是因為,三油酸甘油酯分子的另一端還有三個甲基(CH3),它們不喜歡水。和水接觸後,它們仨就直直地插出水面,拗出開花的造型。

這些姿勢奇怪的油酸分子,實際上就變成了一個彈力面膜,這個彈力面膜有阻尼的作用,能夠吸收波浪的能量。

那麼,鎮浪油具體是怎麼吸收能量的呢?你大概認為鎮浪油主要是靠表面張力?就像百度知道描述的那樣?

其實不是,他們發現油花主要是靠吉布斯表面彈性(Gibbs surface elasticity)的作用彈走魚尾紋的,表面張力只起到了次要的作用。

具體來說,當波向右傳播的時候,油花內部產生了縱波,也就是像抖抖抖的彈簧那樣,振動方向與波的傳播方向平行的波。

油花縱波的波峰和波穀的運動方向相反,這樣的運動方式使油層和水之間產生了相當大的剪切力,壓製了浪花。

在下方的波浪的推動下,三油酸甘油酯單分子層(豎起來的那一排)內部產生了縱波。圖片來源:(DOI)10.1119/1.2710482

為了證實的確是吉布斯表面彈性,而不是表面張力或黏度的作用, 這些物理學家還用水和丙酮的混合液做了實驗。

他們發現,雖然水和丙酮的混合液的表面張力和橄欖油類似,但是卻還是能浪,這證明油層帶來的表面彈性是真的重要。

划船不靠槳全靠浪,去皺不靠揉全靠油。

PS:為了保護生態環境和各種動植物,請不要模仿向江河湖海里傾倒菜油的行為。

(原標題 為什麼菜油倒海上能救命?這道題美國學霸國父也不會做)

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