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水力分析与计算

生活中的水力学-科学家揭开水黾会“轻功”的奥秘

小型水生昆虫水黾被喻为“池塘

中的溜冰者”，因为它不仅能在水面

上滑行，而且还会像溜冰运动员一样

能在水面上优雅地跳跃和玩耍。它的

高明之处是，既不会划破水面，也不

会浸湿自己的腿。水黾是如何练就如

此水上绝技？

对此，科学界一直有各种解释。一种解释是水表面的张力，还有

的解释是它们的腿会分泌油脂。近日，中国科学院化学研究所研究员

江雷和博士生高雪峰在2006年11月4日出版的英国《自然》杂志上

发表论文，揭开了水黾“水上轻功”的奥秘。该发现可望在不远的将

来设计出新型微型水上交通工具，如无舷船舶。该发现还可用于新型

防水纺织品的生产，甚至人类的水上行走都成为可能。

水黾(mian)是一种在湖水、池塘、水田和湿地中常见的小型水生

昆虫，身长大约1厘米，可在水面划行。它有6条细长的腿，足上有

纤毛。为什么水黾能在水上行走？一般教科书的解释是水表面的张

力。

教科书的解释是错误的。比如，一分钱的硬币重约一克，比重比水

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大，可是把它轻轻放在水面上，硬币却能漂浮，这是由于水表面张力

的作用。水滴之所以能变成圆球形，也是由于表面张力作用的缘故。

水的表面有一层膜叫表面层。它处在气体与液体之间。液体表面

层由于跟空气接触，与液体内部情况有所不同。表面层里分子的分布

要比液体的稀疏些，也就是分子间的距离比液体内部的大一些。在液

体内部，分子间的引力基本上等于斥力；在表面层中，由于分子间的

距离比液体内部大，分子间的相互作用表现为引力。这种液体各部分

间相互吸引的力，叫表面张力。在表面张力的作用下，液体表面有收

缩到最小的趋势。

水滴的表面张力有多大呢？可以这样说，比水滴小的虫子，它是

不能冲破表面张力而钻入水滴中去的。

水黾属于水生半翅目类昆虫，水黾的种类不同，大小也不一样，

一只中等大小的水黾重约30毫克，比水轻，所以，它在水面上行走

时，不会沉入水中。此外，水黾足的附节上，生长着一排排不沾水的

毛，所以，与足接触的那部分水面会下凹，但它的足尖不会冲破表面

张力。水黾长有三对足，三对足的分工也很明确，前足用来捕食，中

足用来划分和跳跃，后足用来在水面滑行，这样它就可以在水面上自

由自在的行动了。但是，如果往水里加一点中性洗涤剂，就会削弱水

的表面张力，这时，走在水面的水黾足上的毛被沾湿，足冲破了表面

张力而穿入水中，水黾就会沉入水中，当水黾沉下去后，由于表面张

力的作用，水黾就再也浮不上来了。

一般教科书都这样解释这个问题。一年前，美国麻省理工学院的

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数学家约翰·布什和同事就发现水黾的腿就像桨一样在水中划行，从

而让它能够快速地飞奔，该研究小组的成员戴维德·胡说，腿不被弄

湿是关键，这样可避免水黾在划行时浸入水中，如果它们不小心被水

淹没，它们必须用十倍于身体的力量才能浮出水面。事实果真是这样

吗？这种解释似乎看起来很有道理，但却无法解释水黾即使是在暴风

雨的袭击中也能生存这样一个事实。而且水黾还会弹跳，弹跳时它们

的腿脚为什么不会湿？为什么不会刺破水表面的张力？

会不会是它们的腿分泌油脂？

我们都知道，油脂可以浮在水面上，如果水黾的腿脚能分泌油脂，

再加上水表面的张力，水黾不就浮在了水面上了吗？

为了证明油脂层和水面张力不是水黾在水面上行走的主要因素，江

雷等人做了一个人工的水黾腿，并在上面涂了一层蜡。这条腿能够让

水黾在水面上静止一会儿，但却不能经得起水的波动。

研究人员发现，水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，这就

是这种昆虫非凡浮力的原因。江雷和同事说，水黾的一条长腿就能在

水面上支撑起15倍于身体的重量而不会沉没。而油脂层和水表面的

张力却没有如此大的浮力。

水黾以极快的速度在水面上滑行以捕