壁虎、泳衣和飛行器:神奇的材料與黏性的秘密(簡體書)
商品資訊
ISBN13:9787571721909
出版社:河北科學技術出版社
作者:(愛爾蘭)勞麗‧溫科萊斯
譯者:秦鵬
出版日:2024/08/01
裝訂/頁數:平裝/237頁
規格:26cm*18.5cm (高/寬)
版次:一版
商品簡介
壁虎如何攀爬?觸覺的原理是什麼?高爾夫球、飛行器和船只的運動方式為何如此不同?從冰川運動到硬盤驅動器的呼呼聲,揭秘藏在萬物表面的奇妙力量。
本書深入探討了表面科學與摩擦力的關係,分析了摩擦力如何深刻影響人造世界與自然世界中的表面現象,並進一步闡述了如何利用表面科學的原理來精確操控黏性,這一能力甚至延伸至單個原子層面。在日常生活中,從每一步行走時空氣分子微妙的影響,到辦公時便利貼與膠水的使用、不粘鍋的烹飪體驗、指紋的獨特性、壁虎“飛檐走壁”的奇跡,乃至荷葉“出淤泥而不染”的奧秘,這一切均源自表面間那些看似微小卻威力巨大的力量。
物理學家溫科萊斯將在此書中引領我們解開這些科學謎團,揭示出人類文明之所以能夠取得如此輝煌的成就,在很大程度上得益於我們對表面科學的深刻理解和應用。此外,本書還精彩介紹了眾多源於表面相互作用研究的實驗成果與創新技術,這些成就不僅極大地豐富了人類的生活,也對科學研究產生了深遠的影響。例如,受鯊魚皮啟發的速比濤泳衣,在遊泳競技中展現出卓越的性能;而基於壁虎超粘足原理研發的航天器抓持器,則為太空探索開辟了新的可能性。。
作者簡介
勞麗·溫科萊斯(Laurie Winkless)
愛爾蘭物理學家和作家,擁有都柏林三一學院物理學和天體物理學雙學位,以及倫敦大學空間科學碩士學位。後來她加入英國國家物理實驗室,成為一名研究科學家,專門研究功能材料。
勞麗現居新西蘭,15年來一直致力於向公眾普及科學知識。與科研機構、工程公司、大學和NASA等展開了多項合作,並為《福布斯》《連線》《經濟學人》等刊物撰寫文章,內容從無人駕駛汽車到石墨烯膜,無所不包。
名人/編輯推薦
★ 摩擦力版《迷人的材料》。不僅介紹了材料本身,對其在實際應用領域的探索,以及在未來將可能出現怎樣的突破也進行了無限探索。
★ 一部關於表面科學的內幕指南,提供了科學普及新視角。通過一個個看似毫不相關且引人入勝的故事,揭示摩擦在材料學中發揮的重要作用。
★ 跨學科知識融合。融合了化學、工程學、生物學、仿生學、材料學等多個學科的知識,展示了表面科學在不同領域的應用。
★ 生動的實例與案例研究,兼具趣味性、實用性和知識性。
★ 激發科學探索的興趣,只要你懂表面,表面就會幫你。通過對表面科學的探索,將更多原理應用於日常生活和尖端技術領域,真正實現科技造福人類。
★ 入圍2023年美國科學促進會「優秀科學圖書獎」;《迷人的材料》《太陽系度假指南》作者聯袂推薦。
序
前言
任何喜歡修理和製造東西的人或許都在互聯網上見過這麼一張流程圖:頂部寫著“它動了嗎?”底部則提供了兩種解決方案:“如果一個不該動的東西動了該怎麼辦?用膠帶固定住就好了。那如果一個應該動的東西突然不動了,該怎麼辦?用 WD-40® (見圖 1)。”長久以來,這兩款產品一直被視為工具間的**品,用途廣泛,使用頻率極高。毫無疑問,我也是它們的愛好者之一。
幾年前,剛萌生寫這本書的念頭時,我對這兩款產品有了一些感悟。由於它們一個牢牢地粘在物體表面,另一個用於潤滑物體,所以在人們的印象裡,它倆好似是對立的,分別占據著黏性和滑性尺度的兩端。但實際上,不管是在我們的日常生活中,還是在精確受控的實驗室環境中,都不存在這樣的尺度。因為“黏”和“滑”這兩個詞本身就模棱兩可,並沒有精確到彼此對立的程度。盡管這兩個詞被廣泛使用,但對身處不同時空的人而言,它們的含義大不相同。例如,有時它們可能讓人聯想到口香糖、膠帶和糖漿,但有時又可能讓人聯想到結冰的道路、WD-40 和濕瓷磚。另外,“黏”和“滑”這兩個詞也不是真正的材料特性,就像硬度和導熱性一樣。它們沒有公認的科學定義,也沒有可以用來量化或比較的具體指標。這些詞在日常生活中隨處可見,但在科學文獻中很少出現,這種反差正是我決定將本書命名為Sticky的原因之一。
我想重新定位這個為人所熟知的詞語,並將之應用於大量有趣的互動上:尤其是那些發生在物體表面之上和物體表面之間的、古怪而奇妙的事情。許多科學現象都發生在兩個物體相互接觸之時,比如空氣流經曲面、兩塊金屬制品滑過彼此,或將膠水塗在木板上。黏性雖不是可以被測量或定義的特性,但其他許多與之相關的特性是可以測量的,並且這些特性受到了整個科學界的關注。
摩擦學便是其中之一。該學科有時被描述為“搓搓洗洗”的科學,其重點是研究運動中的物體表面如何相互作用。乍一聽這似乎有點小眾,但我們會發現,這類相互作用就存在於我們身邊,比如它們決定了冰川在岩石地貌上的運動和你計算機硬盤驅動器的呼呼聲。不管致力於哪個領域,所有摩擦學學者最關心的都是摩擦,也就是平行於表面的阻力,它可以將靜止的物體固定在原地(靜摩擦),也可以減緩移動物體的運動(動摩擦)。
通過測量材料之間的摩擦力,並將其納入幾十年來不斷發展和更新的數學模型,摩擦學家可以對物體表面獲得深入而複雜的了解。這樣一來,他們就可以找到控制摩擦的方法。每個有連接部件的系統,無論是工程學層面還是生物學層面,在設計時都考慮到了摩擦。比如在有些情況下,設計的目標是最大限度地增大摩擦,以便在極端條件下保持部件之間的抓持力或牽引力,但在另一些情況下,摩擦就成了敵人,使事物無從運作。無論是哪種情況,我們都不能忽視它。也因此,本書將摩擦作為貫穿每個章節的主線與核心。
從很多方面來講,摩擦學都不是一門新科學。人類對物體表面相互作用的探索和操縱已有千年之久,而我們在很晚的時候才掌握了描述它們所需的方程和工具。關於這一點,有一個著名的例子可以在杰胡霍特普(Djehutihotep)的墓葬中找到,此人是 4000 年前上埃及一位有權勢的地方長官。他那裝飾華麗的墓室墻壁上繪有一幅如今被稱為《運輸巨像》 (Transport of the Colossus)的壁畫(見圖 2)。在這幅壁畫中,一尊巨大的人物雕像被放置在木橇上,由一隊搬運工人拖著。畫中有一個人站在雕像的腳邊,正將一瓶不明液體倒入木橇前方。最初人們將這一細節解讀為一種純粹的儀式行為,但後來看到這幅壁畫的一些工程師懷疑,這裡傾倒的液體很可能是早期的一種潤滑劑,可以讓沉重的木橇在沙地上更容易滑動。
2014 年,一個由丹尼爾·博恩(Daniel Bonn)教授領導的團隊開始嘗試解答這個問題。實驗設計非常簡單:他們給一個小木橇裝載上重物,然後沿著混合有不同水量的沙地樣本拉動它,並測量其所需的力。他們最感興趣的度量是摩擦系數“μ”(讀作“miu”)。這一比率在摩擦學研究和一般的工程與科學領域經常出現,因為它可以告訴我們兩個材料表面之間相互作用的強度。1μ值越接近0,則越容易在物體表面滑動。因此,冰與鋼鐵之間的μ值要略低於冰與木材(它們的μ值分別為0.03和0.05),而幹瀝青與橡膠之間的摩擦作用比前者高出18~30 倍(μ=0.9)。這部分解釋了為什麼輪胎能幫助車輛待在道路上,我們將在第 5 章詳細介紹這一點。通過測量木橇在越來越濕的沙地上被拉動時摩擦系數的變化,博恩可以直接評估加水對沙子“滑溜程度”的影響。
所有幹沙樣本的摩擦力都很大,它們的μ值一般為0.55。博恩將此歸因於“在木橇真正開始移動之前就已在其前方形成的沙堆”。隨著博恩不斷往裡加水,沙堆變得越來越小,μ 值也隨之降低。在某些情況下,僅僅通過加水,木橇和沙子之間的摩擦就可以減少 40%。而一旦沙子的含水量超過 5%,摩擦增大,更難拉動木撬。研究人員得出結論,在沙漠裡運輸物品時,存在一個最有利於物體滑動的含水量。這背後的機制對任何一個曾經用沙子填滿並翻轉水桶來製作沙堡的人來說都不陌生。如果裡面的沙子是幹的,沙堡就會自由流動並散開。相比之下,濕沙則可以保持其形狀,這要歸功於沙粒間形成的水橋。如果你混合得恰到好處,水就會把材料黏合在一起,提供一個光滑、堅硬的表面,供重物在上面滑動。2014 年,博恩在接受《華盛頓郵報》采訪時說:“如果這種潤滑機制被用於運送巨型雕塑,這將意味著‘埃及人只需要幹沙狀態下一半的人力就能在濕沙上拉動……埃及人可能知道這個小妙招’。”
在潤滑的世界裡,水不再是主角。今天市面上有成千上萬種潤滑劑,其中大多以礦物油(石油)為基礎。它們的用途都是減少運動物體表面之間的摩擦。無論是廉價的割草機,還是高科技的火星車,都會用到潤滑劑。這些可以減少摩擦的化合物在全球有著巨大的市場,到 2020 年其經濟價值已超過1500億美元。我們會在第9章談論一些最新的固體潤滑劑。此外,我們仍可以從山體滑坡等地質過程,以及第 6 章和第 7 章中提及的地震和冰中看到水的潤滑作用。但更多時候,水和許多流體一樣會對表面施加摩擦力。水會拖住在其中移動的物體,使它們的速度變慢。我們可以通過流體動力學——關於運動中的液體和氣體的科學來理解這種影響廣泛的阻力。在第 4 章中,我們會發現每只球和每架飛機的飛行都受到了其周圍空氣的影響。如果你恰好喜歡遊泳,那麼第 3 章將為你揭示如何才能劈水而行,你將見識到一些通過將水從表面推開來減少其影響的水下技術。
然而,由於種種原因,有很多東西沒有寫進這本書。例如,我原本計劃撰寫一個章節來介紹表面科學的醫學應用,內容包括憑借特制粒子實現的定向藥物輸送和促進細胞黏附與生長的植入物。鑒於在我寫這些文字的時候(2021年1月),新冠病毒還在以一種可以通過空氣和物體表面傳播的形式影響著地球上每個人的生活。但考慮到實際情況,對於這樣一個龐大主題,我已經沒有多餘的時間來寫它,這一遺漏令人遺憾。其他章節的重點也都有些許調整。第 2 章原本要探討的是動物利用表面科學來導航和控制周圍環境的眾多方法,蜘蛛、海膽和鯊魚都在候選名單上,結果這一章現在只聚焦於一種動物——壁虎。在研究這種爬行綱蜥蜴目動物的過程中,我被它迷住了:這種動物的攀爬能力背後隱藏的機制令人震撼,許多技術的誕生都受其啟發。本書還列舉了自然界中的其他例子。在第 8 章中,我將從物理學家的視角來審視我們的觸覺,以及它在人類社會中所發揮的作用。最後(或者也可以說“首先”),第 1 章是對所有黏性事物的介紹,包括對一些我經常被問到的滑溜產品工作原理的描述。
從本質上講,這是一本關於各種材料及其表面受力情況的書。自2007年以來,我一直對這個話題很感興趣。當時我參與了這樣一個項目:研究如何利用帶有圖案的表面來控制摩擦和流體流動,並以此為基礎開展了包括防水材料在內的一系列研究。後來,當我寫《科學與城市》(Science and the City)一書時,此類關於物體表面相互作用的話題時常閃現在我的腦海中,從鐵軌上樹葉的滑性到輪胎對道路的抓力。與我們對摩擦的了解和關注相比,它對現代世界的重要性簡直大到不可思議。也就是在那時,我有了撰寫此書的想法。當我開始從“物體的表面”看問題時,我就停不下來了,最終的成果就是這本書。
我並不打算在這本書中事無巨細地探索物體表面的相互作用,也不想把它寫成一本物理學教科書、一本關於摩擦的數學專著,或者是一個對市場上最好膠水的深入調查報告。如果你需要那種知識,我很樂意為你推薦其他參考資料。在本書中,你將會看到我最喜歡的一些例證,它們可以說明作用在材料表面的力如何塑造了我們身邊的世界。由於這些力的影響跨越了各個科學領域,所以我們的旅程中可能會出現一些意外的轉折。我認為(也希望)所有人都能在這本書中找到自己想要的東西。在研究這些課題的過程中,我有幸與來自科學界和社會其他各界的許多杰出人士交流。他們都是各自領域的專家,慷慨地抽出時間與我交談,並分
享他們的知識。我對他們的感激之情難以言表,我非常樂意為你介紹他們每個人。
那麼,接下來何不換上舒適的衣服,燒壺熱水,泡杯茶,聽我講講這些故事。
目次
引言
第1章 黏與滑的奧秘
塗料
黏附
能量
滑動
第2章 壁虎的抓持力
各種觀點
電荷
腳趾
偶極
水
技術
第3章 涉水破浪
遊泳
測量
鯊魚
平滑
飄浮
第4章 御風翱翔
阻力
球類
馬赫
音障
設計
界面
第5章 馳騁賽道
橡膠
抓持
胎面
剎車
競速
第6章 搖搖欲墜的島嶼
粘滯
實驗室
震源
緩慢
衝擊
第7章 破冰
滑冰
冰壺
冰川
結冰
第8章 人類之觸
指紋
觸摸
感知
盲文
觸覺再現
第9章 纖毫之隙
焊接
潤滑油
層
接觸
延伸閱讀
致謝
書摘/試閱
第2章 壁虎的抓持力
2014 年,在柬埔寨一家酒店的陽臺上,我第一次見到壁虎。在悶熱的天氣中忙碌了一天後,我從一個小攤上買了些食物和冰鎮啤酒。回到房間後,我一邊俯瞰暹粒的繁華街道,一邊享用美食。很快,我意識到自己不是孤身一人——一只大約 25 厘米長、身上帶有橙色斑點的淺灰色蜥蜴一動不動地貼在我身後的粗糙墻面上。在谷歌上瘋狂搜索了一番後,我確定它是一只大壁虎(Gekko gecko),對人類無害。於是我放心地坐了下來,享受著它的陪伴。在一個小時裡,我的這位“陽臺伙伴”以驚人的速度在墻壁上爬來爬去,或者橫穿瓷磚地板。有一次,為了捉一只巨大的蜘蛛,它在露臺的玻璃表面上竄來竄去。當我上床睡覺時,它在粉刷過的天花板上安頓了下來。
我知道壁虎是出了名的攀爬高手,但那天晚上讓我驚嘆的是這種壁虎的適應能力。不管是光滑的還是粗糙的,抑或是粉刷過的或“天然的”,任何表面對它來說似乎都不具備挑戰性,而人類就連在結冰的街道上行走都很困難(你會在第 7 章中找到原因)。如果沒有專門設備,人類也無法攀登陡坡。
幾千年來,壁虎幾乎能附著在任何表面的能力一直吸引著哲學家和科學家,自19世紀以來,對這種能力的研究經常出現在科學期刊上。壁虎的神秘感以及它的天才能力很大一部分源自這樣一個事實:它的腳並不像你以為的是黏糊糊的。它們摸起來是幹的,而且與上一章的黏合劑不同,它們不會留下任何膠狀的殘留物。壁虎能黏卻不黏。直到最近幾十年,科學家才終於搞清楚它們是如何做到的。在這條漫長的發現之路上,很多想法都被拋棄了。然而,盡管其中幾個已經被推翻,但似乎還在流傳。因此,讓我們一起來揭示真相吧。
各種觀點
如果你看一下壁虎的腳底,你首先會注意到的一件事是,它的腳趾上覆蓋著平坦的、層疊的、鱗狀的脊。它們被稱為皮褶,至少一個世紀以來,它們被認為是壁虎黏附的主要手段。動物學家約翰·瓦格勒(Johann Wagler)在1830年出版的一本書中指出,皮褶起到了吸盤的作用。這個觀點在當時得到了廣泛支持,而且你可以理解為什麼。人們當時已經了解到,有幾種海洋生物利用吸盤附著在岩石的表面,而人類至少從公元前 3000 年就開始使用吸管喝飲料了。大家都很了解抽吸的力量,於是就有了我們今天所知的與實用橡膠吸盤相關的多項專利。
像壁虎的腳一樣,基於吸力的設備可以在不使用黏性物質的情況下黏附。在理想條件下,它們還可以支撐相當大的重量。問問“摩天大廈人”丹·古德溫(Dan Goodwin)就知道了,他從 1981 年起開始使用吸盤攀登高樓。當你把吸盤按在物體表面時,一小股空氣會從側面排出,然後柔軟的橡膠材料形成密封的空間。這在橡膠器皿內部形成了一個低氣壓區——部分真空,而外部有正常的大氣壓力。外部空氣分子的重量對器皿表面施加了一個力,但由於內部空氣分子少得多,所以它們的反作用力要小得多。最終結果是,橡膠器皿被牢牢地固定在物體表面,只要密封圈保持緊閉,它就會一直待在那裡。皮褶也以同樣的方式起作用嗎?
在這個觀點首次發表一個世紀後,科學家沃爾夫 - 迪特裡希·德利特 (Wolf-Dietrich Dellit)開始對其進行驗證。他的假設是,如果壁虎的腳真的是通過吸力附著在物體表面,那麼它們應該就像標準吸盤一樣,在較低氣壓下效果較差。在納粹時代的德國,部分科學家對動物福利的考慮十分欠缺,比如德利特將活的大壁虎放入一個真空室,然後慢慢地抽出空氣。與吸
盤不同的是,壁虎的腳一直粘在室壁上,直至它死去,即使氣壓已經低到幾乎難以察覺的真空級別。這是一個令人信服的實驗結果(盡管是悲劇性的)。
2000 年,凱勒·奧特姆(Kellar Autumn)教授研究壁虎的黏附力已經有數年,他領導的小組成功地量化了壁虎的腳和光滑表面之間黏附力的強度,這一吸力假說受到了短暫的重新審視。結果顯示,它比吸力所能達到的強度要高很多倍,因此,這一特定想法被永遠地拒之門外。
另一個流行理論出現在 20 世紀上半葉,是隨著光學顯微鏡設計的改進而產生的。研究人員意識到,壁虎腳趾上的皮褶並不光滑,而是覆蓋著細小、密集的毛——他們稱之為“剛毛”。由於這些剛毛看起來都是略微彎曲的,並且以相同的角度排列,所以人們想知道它們是否像小鉤子一樣發揮作用,讓壁虎能夠抓住不規則的表面。這種“登山者的靴子”假設(剛毛就像攀巖鞋底釘的微觀版本),現在被稱為“微互鎖”,並且事實再次證明,它相當受歡迎。有人還提出了與此相關的想法,涉及靜摩擦。所有剛毛都極大地增加了皮褶和表面之間的接觸面積,所以這說不定會增大摩擦,幫助壁虎攀附物體表面。
事實證明,這兩種觀點的驗證相對容易。如果剛毛真的是微型鉤子,你就該期望壁虎會牢靠地附著在粗糙的表面,而不是光滑的表面。幾個研究小組的實驗表明,在光滑到其最大的“不平之處”只有幾個原子大小的表面,壁虎仍然可以攀附,而且在大多數情況下,它們對光滑表面的黏附力比對粗糙表面的更強。這樣微型鉤子的說法就被淘汰出局了。如果靜摩擦是起因,那麼一只試圖穿越天花板的壁虎基本上會立即掉下來。但在野外的觀察表明,壁虎有很多時間是倒掛著的,而且凱勒·奧特姆曾在波特蘭跟我通電話說:“大壁虎的抓力非常強,在它的四只腳都接觸到天花板的情況下,它可以支撐30多千克的重量。”在實驗室裡,人們也觀察到壁虎在傳統的“低摩擦”表面上行走,比如硅。這樣一來,摩擦的說法也被淘汰出局了(目前)。
但如果壁虎驚人的攀爬能力不是靠吸力、摩擦或者“微互鎖”,我們還有什麼選項呢?
電荷
前面提到的德利特還有另一種觀點——壁虎可能利用靜電引力黏附。當你將兩種不同材料相互接觸時,奇怪的事情就發生了:兩種材料的表面都帶電,一個是正電,一個是負電,這是因為電子會從一個表面大規模地移動到另一個表面。結果是,這些材料變得相互吸引。這與你將氣球在頭髮上用力摩擦後可以粘在墻上的機制完全相同,也是羊毛衫和聚酯纖維襯衫之間產生可怕的噼裡啪啦靜電的原因。德利特推斷,如果他能消除這種電荷的積累,他就能檢驗壁虎是否真的通過靜電黏附。因此,他用X射線剝離了一個密室內空氣分子中的電荷,以抵消靜電效應,而這無疑超過了裡面活壁虎的X射線安全劑量,從而增加了他的惡名。盡管遭受了這種重創,壁虎還是緊抓不放,這讓德利特得出結論:靜電並不是壁虎成為超級攀登者的原因。
但是這個假說從未完全消失。2014年,滑鐵盧大學的研究人員開展了一系列實驗,以檢驗這些電荷對壁虎的黏附起到了什麼作用(如果有的話)。 該研究小組找來5只大壁虎樣本,將它們的腳放在塗有兩種聚合物之一的超光滑垂直表面上。當壁虎腳墊與每種材料接觸時,都可以觀測到電荷的積累——腳墊上有正電荷,而聚合物上有負電荷。他們還測量了在每種材料上拖動腳所需的力。表面電荷的密度越高,壁虎的腳似乎粘得越緊,於是研究人員得出結論:“靜電相互作用……決定了壁虎黏附力的強度。”
“這個實驗很有趣,但我就是無法接受他們的觀點,”當我問及這篇論文的意義時,奧特姆說,“一旦你開始使用整只動物做實驗,而不是單獨的剛毛,你就很難將彼此的影響區分開來,這就使準確解釋發生了什麼變得很棘手。” 雖然奧特姆不認同研究小組的結論,即靜電力主導了壁虎的抓持力,但他承認,當面對特別光滑的表面時,靜電力可能是壁虎需要借助的額外力量。對於這一點,包括維拉諾瓦大學助理教授阿莉莎·斯塔克(Alyssa Stark)在內的其他壁虎專家都表示讚同。“似乎有很多因素在同時發揮作用,”她說,“盡管大多數團隊都認同壁虎利用的主導性力量,但從我們的研究來看,我不能說它是唯一起作用的力量。靜電完全有可能也發揮了作用。”
壁虎黏附力問題的複雜性部分源於這樣一個事實:並非所有壁虎都一樣,至少在黏附能力方面有高有低。雖然我們認為它們是熱帶動物,但壁虎科的1000多個成員已經證明它們擁有令人難以置信的適應能力,能夠占據各種各樣的棲息地。例如,其中最著名的黑眼壁虎(Mokopirirakau kahutarae)生活在新西蘭南島的高山上,而帶斑壁虎(Coleonyx variegatus)出沒於美國一些幹旱的沙漠中。因此,每一種壁虎都是獨一無二的。為了生存,它們被迫適應了周圍的環境。斯塔克告訴我,這種多樣性使我們很難為壁虎寫出放之四海而皆準的規則。“許多種類有爪子,但有些沒有。有些種類只有3個能用的腳趾,而通常情況下是5個。然後是腳趾大小和形狀的巨大差異——差異的清單可能相當長。”
但在這些差異中,似乎有一種機制是大多數壁虎都遵循的,就是緊抓不放。是的,我們終於講到“是什麼讓壁虎能夠緊緊黏附”這一問題了。
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