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劉建林 著

圖書標籤:

• 物理學
• 毛細現象
• 浸潤現象
• 錶麵張力
• 流體力學
• 科學普及
• 自然科學
• 科普讀物
• 微觀世界
• 趣味科學

店鋪： 北京愛讀者圖書專營店

齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302434542

商品編碼：29730064587

包裝：平裝

齣版時間：2016-06-01

基本信息

書名：微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象

定價：39.00元

作者：劉建林

齣版社：清華大學齣版社

齣版日期：2016-06-01

ISBN：9787302434542

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：32開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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一根鋼針為何能夠浮在水麵上？荷花葉子為何能夠齣淤泥而不染？往盛滿水的杯口繼續加水而水為何不溢齣？雨後蜘蛛網上為何留下一串串晶瑩的水珠？蟬為何可以在雨中自如地飛行而不怕淋濕翅膀？螞蟻為何會自行聚團從而安然度過洪災？所有這些有趣而奇特的現象是如何發生的？又是如何啓發人類“嚮自然學習”而進行仿生設計的？ 《微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象》由原點閱讀齣品。原點閱讀（The Origin）（微信號：ydreadtup），清華大學齣版社旗下的圖書品牌，秉承“科學，讓個人更智慧，讓社會更理性”的理念，緻力於科學普及和科技文化類圖書的齣版，傳播科學知識、科學精神、科學方法，展現科學的真實、獨立、智慧、多變、寬容、動人及迷人。

內容提要

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在日常生活中，我們經常會對這些司空見慣的現象産生疑問：一根鋼針為何能夠浮在水麵上？荷花葉子為何能夠齣淤泥而不染？往盛滿水的杯口繼續加水而水為何不溢齣？雨後蜘蛛網上為何留下一串串晶瑩的水珠？蟬為何可以在雨中自如地飛行而不怕淋濕翅膀？螞蟻為何會自行聚團從而安然度過洪災？所有這些有趣而奇特的現象是如何發生的？又是如何啓發人類“嚮自然學習”而進行仿生設計的？這些新奇的現象都是與毛細和浸潤現象息息相關的，它們都涉及到一個關鍵詞，即液體的錶麵張力。從日常生活到自然界，再到工農業生産，毛細現象和錶麵浸潤行為真可謂無處不在。通過深入研究而揭示錶麵張力的作用機製對於我們理解和把握這些浸潤現象至關重要，這可以為新型結構和材料的仿生設計奠定理論基礎。實際上，自然界中各種各樣的毛細和浸潤現象啓發瞭人類的靈感，使我們通過“嚮自然學習”，進而可以仿生、製造齣很多新産品，從而産生瞭錶麵仿生學這一前沿交叉學科。通過研究毛細和浸潤現象，我們可以恰當地配置農藥和塗料、閤理地進行礦物浮選、製備不沾水和不沾油的材料、研製微小的船舶、閤理設計微機電係統的構件、通過錶麵活性劑進行化學驅油等。 本書的一個重要特點是摒棄瞭復雜的數學公式和方程描述，通篇隻采用瞭幾個必要的簡單公式以輔助讀者進行理解，其目的是為瞭通過通俗易懂的語言闡明相對復雜的物理現象的機理。因此，我們相信具有高中以上文化程度的讀者均可以毫無障礙地閱讀本書。此外，本書也可作為有誌於研究固體力學、物理學、仿生學、微納米材料等領域的研究人員的研究素材。

目錄

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章 神奇的毛細和浸潤

1.1 錶麵浸潤現象

1.2 錶麵張力——綳在液體錶麵的薄膜力

1.3 麯率

1.4 光滑錶麵上的接觸角

1.5 毛細現象

1.6 有趣的尺寸效應

1.7 粗糙固體錶麵上的接觸角

第2章 植物隱藏的魔力

2.1 蓮花效應

2.2 親水基底上産生超疏水狀態的秘密

2.3 參天大樹能夠長多高

第3章 成功駕馭毛細力的智慧小動物

3.1 池塘裏的溜冰者——水黽

3.2 水麵承載能力強的昆蟲——蚊子

3.3 輕鬆翻越彎液麵的小蟲子

3.4 螞蟻救生筏

3.5 毛細棘輪效應——水鳥喙的攝食

3.6 神奇的沙漠集水本領——納米比亞沙漠甲蟲

3.7 泥漿吸水——德剋薩斯角蜥

3.8 蜘蛛網截霧取水

第4章 毛細力驅動的自組裝

4.1 MEMS中的毛細粘附現象

4.2 鬼斧神工的碳納米管自組裝形貌

4.2 渾然天成的多級結構

4.2.1 壁虎的腳

4.2.2 貝殼的多級結構

4.2.3 多級毛細粘附結構

4.3 液麵上互相吸引和排斥的微小物體

第5章 基於毛細效應的傳感裝置

5.1 懸臂梁傳感器

5.2 液滴-微梁傳感器

5.3 薄膜在液滴作用下的大變形

5.4 薄膜的毛細屈麯和褶皺

第6章 驅動液滴運動的司機

6.1 液滴在液體界麵上的定嚮運動

6.2 液滴在固體錶麵上定嚮運動

第7章 不可思議的液珠彈珠

7.1 液滴彈簧

7.2 液體彈珠

7.3 液體彈珠的有趣應用

第8章 界麵張力在三次采油中的作用

8.1 石油概述

8.2 二次采油之後剩餘油的成因

8.3 三次采油中毛細力的作用

附錄

附錄1托馬斯-楊之力學貢獻

附錄2 麥剋斯韋對應用力學的貢獻

附錄3 細長杆彈性綫模型的發展曆史

附錄4 錶麵浸潤的機製：小作用量原理簡介

作者介紹

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劉建林，男，1977年生於青島。2008年1月於清華大學航天航空學院獲得博士學位，現任中國石油大學（華東）工程力學係教授、博士生導師。主要研究內容包括錶界麵力學、仿生力學、軟物質力學等。已發錶的學術論文被SCI收錄40餘篇。

文摘

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序言

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《微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象》圖書簡介 導言：無處不在的微小之力 當我們凝視一滴水珠在荷葉上滾動的晶瑩剔透，或觀察植物如何將根部吸收的水分輸送到高聳的樹冠時，我們都在見證一種宏大力量背後的微小奇跡——毛細現象與浸潤現象。它們是自然界中最普遍、卻又常常被忽視的物理現象，深刻地影響著我們生活的方方麵麵，從生物體的生命維持到現代工業的精細製造。 本書《微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象》旨在深入淺齣地揭示支撐這些現象的底層科學原理。我們不將焦點局限於枯燥的理論推導，而是力求以生動、直觀的方式，帶領讀者領略這些微觀尺度上的相互作用如何塑造瞭宏觀世界。 第一部分：基礎概念的構建——分子間的舞蹈 要理解毛細現象，首先必須理解物質世界最基本的構造和相互作用。本書的開篇將帶領讀者進入分子和原子構成的微觀世界，詳細闡述構成液體和固體錶麵的基本單元。 一、錶麵張力的起源：液體的“皮膚” 液體錶麵似乎擁有一層“皮膚”，能夠抵抗外力。我們會解析這種錶麵張力是如何産生的：液體的內部分子受到各個方嚮均勻的吸引力，而錶麵分子隻受到來自內部的拉力，這種不平衡的閤力使得液體傾嚮於收縮其錶麵積，追求最低的能量狀態。我們將通過日常觀察到的水滴呈球形、針浮水麵等現象，直觀地體會錶麵張力的威力。 二、理解浸潤與非浸潤：親和力的較量 浸潤（Wetting）是毛細現象發生的先決條件。它描述瞭液體與固體錶麵之間的相互作用。我們將引入接觸角（Contact Angle）這一核心概念，它是衡量液體在固體錶麵鋪展程度的量化指標。 親水性與疏水性（Hydrophilic vs. Hydrophobic）： 我們將對比水在玻璃和蠟質錶麵上的行為差異。這背後的驅動力在於附著力（Adhesion）和內聚力（Cohesion）之間的競爭。附著力是液體分子與固體分子之間的吸引力；內聚力是液體分子彼此之間的吸引力。當附著力大於內聚力時，液體鋪展，形成浸潤現象；反之，液體收縮成珠狀，形成非浸潤現象。 錶麵能的概念： 深入探討固體的錶麵能，以及它如何決定瞭材料的浸潤特性。我們將討論如何通過錶麵改性技術，例如塗覆特氟龍或利用納米結構，來調控材料的疏水性，為仿生學應用打下基礎。 第二部分：毛細現象的物理機製——升降的奧秘 浸潤性一旦確立，毛細現象便應運而生。本書的第二部分將聚焦於描述液體在狹窄空間內自動上升或下降的機製。 一、毛細管的原理：狹窄空間內的引力反抗者 我們會詳細分析毛細管（Capillary Tube）現象：當一根細管插入液體中，如果液體對管壁具有浸潤性，液麵會凹陷並沿管壁上升，反之則凸起下降。我們將通過拉普拉斯方程（Laplace Equation）的簡化形式，推導齣著名的畢托管公式（Jurin's Law）。 影響因素的量化分析： 公式清晰地揭示瞭毛細管上升高度與液體錶麵張力、液體密度、重力加速度以及毛細管半徑之間的定量關係。這部分將強調半徑對上升高度的決定性影響——半徑越小，上升越高。 二、孔隙介質中的宏觀錶現 毛細現象並不僅限於玻璃細管。在多孔介質中，例如土壤、海綿、紙張和岩石中，無數微小孔隙構成瞭復雜的網絡。 土壤中的水分傳輸： 我們將探討毛細作用如何在土壤中將水分從濕潤區域嚮上輸送到乾燥的植物根係，這是植物營養物質吸收的關鍵環節。 海綿與過濾： 分析海綿吸水以及實驗室過濾紙的工作原理，這些都是毛細作用力與介質孔隙結構相互作用的實例。 第三部分：自然界與生命中的毛細與浸潤 毛細和浸潤現象是地球生命得以延續的無形之手。本部分將跨越物理和生物的邊界，展示這些現象的廣泛應用。 一、植物的“不朽之梯”：木質部與蒸騰拉力 植物如何剋服地心引力，將水分子從根部輸送到百米高空的葉片？我們將深入探討內聚力-張力機製（Cohesion-Tension Theory）。在這個理論中，水分子間的強大內聚力（源於氫鍵）在蒸騰作用産生的負壓（張力）下，形成瞭一股連續的“水柱”，這完全依賴於水分子之間的緊密粘連和對木質部管壁的附著力。 二、生物體的調控：從細胞膜到昆蟲行走 細胞滲透與膨壓： 細胞如何維持形態和進行物質交換，很大程度上依賴於細胞膜錶麵的浸潤特性以及水勢的差異，這直接關係到植物的挺立和動物細胞的穩定。 水黽的“特異功能”： 為什麼水黽能輕盈地立於水麵？這是對錶麵張力原理的完美展示。水黽的腿部具有微小的疏水結構，使得水麵彎麯凹陷，産生的嚮上支撐力大於水黽自身的重量。 第四部分：工程應用與前沿科技 理解瞭基本原理，我們便能駕馭這些微小的力量，將其轉化為解決實際問題的工具。 一、微流控技術與芯片實驗室 微流控（Microfluidics）技術是現代生物醫學分析領域的前沿陣地。它利用微米尺度的通道來精確控製和操縱微量液體。 被動流體控製： 在微流控芯片中，流體的流動往往是完全由毛細力和錶麵張力驅動的，無需外部泵送。我們將介紹如何設計通道幾何形狀來實現液滴的生成、分離和混閤。 二、防汙與自清潔材料 從“荷葉效應”中獲得的靈感催生瞭超疏水材料。 仿生結構設計： 探討如何通過模仿自然界中某些植物或昆蟲錶麵的微納結構，製造齣具有極高接觸角（接近180°）的材料。這些材料不僅能有效防水，還能通過“自清潔”機製帶走附著的灰塵顆粒。 三、熱管理與能源領域 在微電子設備和燃料電池中，高效的熱量管理至關重要。 熱管技術： 熱管（Heat Pipes）是利用液體在蒸發和冷凝過程中相變的有效傳熱裝置。其中，液體（通常是水或氨）被導管壁上的毛細結構（如燒結粉末或網格）引導迴蒸發端，實現瞭高效、無功耗的循環。 結語：微小中的無限可能 《微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象》不僅僅是一本物理科普讀物，它是一部探索分子間和諧共舞的史詩。從清晨的露珠到龐大樹木的生命支持係統，從基礎化學實驗到尖端芯片製造，毛細和浸潤現象以其無形的力量，編織著我們周圍世界的物理法則。通過本書的學習，讀者將能夠以全新的視角審視日常現象，並激發在材料科學、生物工程和納米技術等領域中利用這些“微力”的無限潛力。掌握瞭這些基礎原理，便等於獲得瞭開啓微觀世界大門的鑰匙。

評分☆☆☆☆☆

我一直對自然界中那些看似微不足道的細節充滿興趣，而“微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象”這個書名，精準地抓住瞭我的好奇點。它沒有那種宏大敘事的壓迫感，反而像一個溫和的引導者，邀請你去探索那些隱藏在日常事物背後的精巧機製。我尤其喜歡它從“微力”這個角度切入，這讓我意識到，很多我們認為理所當然的現象，其實都依賴於那些看不見的、微小的力量在起作用。比如，想象一下，為什麼紙巾能夠迅速吸水？為什麼我們畫畫時，顔料能均勻地滲透進畫布？這些看似簡單的行為，背後卻蘊含著復雜的毛細現象和浸潤原理。這本書的選材非常貼近生活，讓我覺得科學不再是實驗室裏的冰冷公式，而是滲透在我們呼吸、飲水、乃至日常用品中的活生生的存在。我期待這本書能夠用一種生動有趣的方式，為我揭示這些“微力”的奧秘，讓我能夠用全新的視角去觀察世界，去理解那些曾經被我忽略的美麗細節。它 promises to be an enlightening journey, one that will enrich my understanding of the world around me.

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題，“微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象”，聽起來就充滿瞭探索的魅力。我一直覺得，很多時候，那些最深刻的科學原理，就隱藏在我們最習以為常的日常現象之中。比如，為什麼水杯邊沿會齣現水痕？為什麼某些織物能夠做到防水？這些背後一定有不為人知的科學故事。“微力”這個詞，一下子就點齣瞭關鍵，它提醒我們，即使是微不足道的力量，也能産生巨大的影響。而“毛細”和“浸潤”，這兩個詞則為我們描繪瞭一個具體的科學領域，讓我聯想到那些在微小尺度下發生的奇妙互動。我特彆喜歡那些能夠將復雜的科學概念，用生動形象的語言和貼近生活的例子來闡述的書籍，而這本書的標題就給我帶來瞭這樣的預期。我希望它能帶我走進一個微觀的世界，去感受那些肉眼看不見的“微力”是如何工作的，去理解它們在自然界和人類科技中扮演的重要角色。我期待這本書能夠讓我對“水”這個最常見的物質，以及它與各種材料的互動，有一個全新的、更深入的認識，就像打開瞭一扇通往奇妙科學世界的大門。

評分☆☆☆☆☆

“微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象”這個書名，簡直就是一種科學的詩意錶達。當我看到“微力”這個詞的時候，我腦海裏立刻湧現齣無數的畫麵：水在細小的管道中嚮上流動，墨水在紙上暈染開來的紋理，甚至還有一些生物體內的液體傳輸過程。而“毛細”和“浸潤”這兩個關鍵詞，更是精確地指齣瞭這本書的核心主題，它們是理解這些微觀世界運作的關鍵。我一直對那些能夠用簡單的原理解釋復雜現象的科學書籍情有獨鍾，而這本書的標題就給我帶來瞭這種感覺。它暗示著，通過理解這些“微力”，我們可以解鎖很多關於物質世界運作的秘密。我非常期待這本書能夠提供一些引人入勝的案例研究，讓我能夠看到這些科學原理是如何在實際生活中發揮作用的。也許，讀完這本書，我再也不會僅僅把水滴看作是液體，而是會想到它背後那些精妙的錶麵張力和附著力；我可能再也不會把顔料的擴散看作是隨機的，而是會理解到它遵循著浸潤的法則。總之，這本書給我帶來瞭一種期待，期待它能夠讓我對這個世界的物質層麵有更深刻、更細緻的理解。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題，讓我立刻聯想到瞭一些畫麵感十足的場景。比如，晨露如何在花瓣上凝結成晶瑩剔透的水珠，又如何沿著葉脈悄悄蔓延；又比如，一杯咖啡倒在桌麵上，咖啡漬是如何以一種看似隨意卻又遵循一定規律的方式擴散開來。這些都是“毛細”和“浸潤”現象的直觀體現，而“微力無邊”則恰如其分地強調瞭這些看似微小力量的巨大作用。“神奇”二字則更是激發瞭我想要一探究竟的欲望。我一直覺得，自然界充滿瞭各種令人驚嘆的巧閤和設計，而這些巧閤和設計背後，往往隱藏著深刻的科學原理。我希望這本書能夠用一種通俗易懂的方式，為我解讀這些“神奇”現象的背後邏輯，讓我不再僅僅是作為一個旁觀者去驚嘆，而是能夠真正理解它們是如何發生的，又為何會發生。我想，讀完這本書，我可能會對很多習以為常的事情産生全新的認識，甚至會引發我更多的思考和探索。它就像一本開啓瞭新視界的鑰匙，讓我能夠更深入地洞察隱藏在日常之下的科學之美。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字聽起來就很有趣，“微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象”。我之前對這些概念瞭解不多，隻隱約記得高中物理裏好像提到過。拿到書後，我第一眼就被封麵吸引瞭，那是一種很柔和的藍色調，上麵點綴著一些仿佛水滴在植物葉片上形成的奇妙紋路，光影效果處理得非常到位，一看就充滿瞭科學的神秘感和藝術的美感。翻開目錄，看到裏麵章節的標題，比如“水滴為何能攀爬植物葉片？”，“顔料如何滲入畫布？”，“陶瓷是如何吸收水分的？”，這些都是我們生活中司空見慣卻又從未深入思考過的現象。我尤其對“水滴為何能攀爬植物葉片”這一章充滿瞭好奇，想象著微小的力量如何能對抗重力，把水輸送到植物的每一個角落，這一定涉及到許多精妙的物理化學原理。同時，書名中的“浸潤”二字也讓我聯想到很多有趣的場景，比如油畫顔料如何與畫布發生反應，或者某些材料如何能夠防水防汙，這些都讓我覺得這本書不僅僅是介紹科學原理，更可能揭示瞭許多生活中的“魔法”。整體而言，這本書給我一種既能學到知識，又能獲得視覺享受的期待感，讓我迫不及待想 dive into 它的內容。