水往高處流

席金合

常言道：人往高處走，水往低處流。放眼大自然，河水向下游流動，瀑布向低處飛瀉，雨水也是從高空向地面下落……然而，2022年10月12日，“神舟十四號”航天員在太空實驗課中，竟然神奇地演示了“水往高處流”的一幕，差點讓人驚掉下巴！

在中國空間站的問天實驗艙里，航天員陳冬把3根粗細不同的透明塑料管，同時豎立在玻璃槽中，玻璃槽里盛滿被染黃的水。只見橙黃色的水在管內不斷升至管頂，最細的管子液面上升較快。為什么會出現這種奇怪現象呢？

要回答這個問題，必須弄清物質微觀世界的一些情況。

一切物質都由自身的最小微粒組成，這種肉眼無法看見的微粒叫分子，分子之間存在引力和斥力，這兩種力的作用都很小，人們一般察覺不到。當分子相距較近時，主要表現為斥力，相距較遠時，引力占上風。通常，液體表面分子比內部分子排列得稀疏，間距較大，所以液面分子之間的相互作用表現為引力。

另外，液體內部每個分子與周圍的分子互相作用達成平衡，每個分子受到的作用互相抵消為零；而液面分子受空氣分子的吸引極小，可以忽略掉，所以可視為只受內部分子吸引。

不管是液面分子之間的相互吸引力，還是內部分子對液面分子的吸引力，都作用于液體表面，共同把液面分子向一起拉，使液體表面積收縮，這種收縮力叫液面張力，就如同被拉長的彈簧會反向收縮一樣。由于液面張力的存在，液面分子手拉手、肩靠肩形成了覆蓋整個水面的浮橋，讓水黽（miǎn）等小昆蟲能夠來去自如地在水面奔跑。

明白了這些道理，我們回過頭來再看上述實驗。

當塑料管插入水中后，水隨之進入管中，這時水分子與塑料分子相吸引，于是水很快攀附在內壁上，使水面形成開口向上的月牙形。同時，受液面張力作用，邊緣水面給中間水面一個向上拉扯作用，使水面趨于水平，接著邊緣的水又向上攀附，水面又出現月牙形，中間水面再次被向上拉扯。就這樣，管內的水柱克服地心引力不斷上升，直到水柱上升力與地心引力平衡時，水面上升停止。這就是毛細效應，又叫毛細現象或毛細作用。

由于細管內向管壁攀附的水相比整個水柱要多，產生的拉扯較大，并且中間那部分水柱的質量較小，容易被拉扯著上升，而粗管內的情況正好與此相反，所以細管中的水比粗管中的水上升得快，液面能達到的高度也比粗管的高，即毛細作用更明顯。

相比地面實驗，在太空幾乎沒有重力束縛，液面張力作用更為明顯，這就是液體在太空中能快速升至管頂的原因。此外，每種液體的分子之間相互作用力不同，每種液體分子與每種固體分子之間的相互作用力也不同，所以毛細效應的強弱取決于液體種類和管子材質。

這樣看來，液體能自行爬到高處，這可是件大好事！對此，朋友們浮想聯翩，比如利用毛細效應來提水，農田灌溉就無需抽水機，再比如利用水位差發電，能夠節能。這里要遺憾地告訴大家，這些想法都行不通。盡管看起來水不是被動力裝置送上去的，但始終受到管壁的吸附作用，并在液面張力的及時配合下，沿著管子上升。說到底，水是被管壁吸上去的。既然管子能把水吸到那么高，就有能力吸住不放，因此當水面上升到一定高度停止后，始終被管子吸附著，即使在液面以下管壁的任一處扎個眼，水也不會從中流出來，如果流出一點兒，也還是被吸附在外壁上，不會脫離管子流淌。

毛細效應雖不是“天上掉餡兒餅”的美事，但能為我所用。人類制造的航空器發動機燃料箱、高空熱管等，就利用了這種原理。類似的實例在生活中更是屢見不鮮，我們常用的蠟燭，芯線的棉絲交織在一起構成毛細管，讓熔化的蠟液自行抵達火苗燃燒；還有手巾紙吸汗、粉筆吸墨水都屬于毛細效應。

自然界所有植物生長都離不開毛細效應。漫步在叢林，仰望參天大樹，樹冠所需的水分和營養，就是通過毛細效應，從地下根系沿木質纖維的細微縫隙輸送到十幾米高的樹頂。

不過，有些毛細效應有害。建房時，夯實的地基中毛細管縱橫交錯，會把地下水分送到室內，對此，地基下面必須鋪上防水層，防止毛細效應造成潮濕。

毛細效應對農業生產影響很大。通常，地下水從土壤的毛細管上到地面散失掉，對保墑不利，應當通過鋤地或犁地，破壞地表層的毛細管，減少水分蒸發。