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书  名:微力无边:神奇的毛细和浸润现象
  • 作  者: 刘建林
  • 出版时间: 2016-06-01
  • 出 版 社: 清华大学出版社
  • 字  数: 190 千字
  • 印  次: 1-1
  • 印  张: 8.38
  • 开  本: 32开
  • ISBN: 9787302434542
  • 装  帧: 平装
  • 定  价:¥39.00
电子书价:¥27.30 折扣:70折 节省:¥11.70 vip价:¥27.30
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内容简介
  在日常生活中,我们经常会对这些司空见惯的现象产生疑问:一根钢针为何能够浮
在水面上?荷花叶子为何能够出淤泥而不染?往盛满水的杯口继续加水而水为何不溢出?雨后蜘蛛网上为何留下一串串晶莹的水珠?蝉为何可以在雨中自如地飞行而不怕淋湿翅膀?蚂蚁为何会自行聚团从而安然度过洪灾?所有这些有趣而奇特的现象是如何发生的?又是如何启发人类“向自然学习”而进行仿生设计的?这些新奇的现象都是与毛细和浸润现象息息相关的,它们都涉及到一个关键词,即液体的表面张力。
从日常生活到自然界,再到工农业生产,毛细现象和表面浸润行为真可谓无处不在。通过深入研究而揭示表面张力的作用机制对于我们理解和把握这些浸润现象至关重要,这可以为新型结构和材料的仿生设计奠定理论基础。实际上,自然界中各种各样的毛细和浸润现象启发了人类的灵感,使我们通过“向自然学习”,进而可以仿生、制造出很多新产品,从而产生了表面仿生学这一前沿交叉学科。通过研究毛细和浸润现象,我们可以恰当地配置农药和涂料、合理地进行矿物浮选、制备不沾水和不沾油的材料、研制微小的船舶、合理设计微机电系统的构件、通过表面活性剂进行化学驱油等。
本书的一个重要特点是摒弃了复杂的数学公式和方程描述,通篇只采用了几个必要的简单公式以辅助读者进行理解,其目的是为了通过通俗易懂的语言阐明相对复杂的物理现象的机理。因此,我们相信具有高中以上文化程度的读者均可以毫无障碍地阅读本书。此外,本书也可作为有志于研究固体力学、物理学、仿生学、微纳米材料等领域的研究人员的研究素材。
前言
  前言


在日常生活中,我们是否经常会观察到一些司空见惯的现象,并产生好奇之心?比如,一根密度大于水的钢针为什么能够浮在水面上?盛水杯子的杯壁与水平面为什么不是直接垂直,而存在一个过渡的弧形弯曲液面?往盛满水的杯口继续加水,水为什么不是立即溢出来?下雨后,蜘蛛网上为什么会留下一串串晶莹的水珠?下雨时雨滴为什么容易粘在车窗上而不容易滚下来?荷花和芋头的叶子为什么能够不沾水,并且能够出淤泥而不染?树林中的蝉为什么能够在下雨天自如地飞行而不怕淋湿翅膀?水黾和水蜘蛛等小动物为什么能够在水面上自由地行走、跑跳?蚊子为什么能够在水面上产卵而不被水粘住?洪水发生时,蚂蚁为什么会自行聚成一团从而安然地度过洪灾?……
你可知道吗,所有的这些新奇现象都与毛细和浸润现象息息相关,它们都涉及一个关键词,即1前言微力无边: 神奇的毛细和浸润现象液体的“表面张力”。表面张力是如何产生的呢?简单来说,液体与空气接触的表面(或称“界面”)与液体内部的结构大不一样,这个表面层就像一层薄膜一样绷在液体上面,从而产生了使表面积趋于最小的表面张力。当一个物体的尺寸缩小到一定程度时,它所受到的重力等与体积相关的力跟表面张力比起来显得微不足道,这个时候表面张力的影响就会凸显出来。在这种尺度下,表面张力往往以很微弱的作用就能够引发很多奇特的物理现象,这种特性有别于传统意义上的力,例如压力、支持力、电磁力等,因而我们常常称其为“非经典力”。
从日常生活到自然界,再到工农业生产,毛细现象和表面浸润行为真可谓无处不在。通过深入研究而揭示表面张力的作用机制,对于我们理解和把握这些浸润现象至关重要,这可以为新型结构和材料的仿生设计奠定理论基础。实际上,自然界中各种各样的毛细和浸润现象启发了人类的灵感,使我们通过“向自然学习”,进而可以仿生、制造出很多新产品,从而产生了“表面仿生学”这一前沿交叉学科。通过研究毛细和浸润现象,我们可以恰当地配置农药和涂料,合理地进行矿物浮选,制备不沾水和不沾油的材料,研制微小的船舶,合理设计微机电系统的构件,通过表面活性剂进行化学驱油等。
本书的一个重要特点是摒弃了复杂的数学公式和方程描述,通篇只采用了几个必要的简单公式以辅助读者进行理解,其目的是通过通俗易懂的语言阐明相对复杂的物理现象的机理。我们相信具有高中以上文化程度的读者均可以毫无障碍地阅读本书。此外,本书也可作为固体力学、物理学、仿生学、微纳米材料等领域的研究人员的研究素材。
由于水平所限,文中错误之处在所难免,希望读者不吝批评指正,提出宝贵意见。在本书的撰写过程中,硕士研究生孙静、左平成、曹高峰、李善鹏、龚宇龙等进行了相关材料的收集工作,特此致谢。本书的成稿也得益于该书作者在清华大学攻读博士学位时,在导师余寿文教授和冯西桥教授指导下的知识积累和科学训练,在此表示感谢。本书得到了国家自然科学基金项目“自然魔法师:神奇的表面张力(11320003)”的资助,为此感谢国家自然科学基金委员会的支持。
目录
第1章毛细和浸润现象概述 / / 001

1.1表面浸润现象 / / 003
1.2表面张力——绷在液体表面的薄膜力 / / 006
1.3曲率 / / 013
1.4光滑表面上的接触角 / / 015
1.5毛细现象 / / 017
1.6有趣的尺寸效应 / / 021
1.7粗糙固体表面上的接触角 / / 026第2章植物身上的神奇浸润现象 / / 031

2.1莲花效应 / / 033
2.2亲水基底上产生超疏水现象的秘密 / / 043
2.3参天大树能够长多高 / / 0501目录微力无边: 神奇的毛细和浸润现象第3章成功驾驭毛细力的智慧小动物 / / 057

3.1池塘里的溜冰者——水黾 / / 059
3.2水面承载能力最强的昆虫——蚊子 / / 066
3.3轻松翻越弯液面的小虫子 / / 071
3.4蚂蚁救生筏 / / 072
3.5毛细棘轮效应——水鸟喙的摄食 / / 074
3.6神奇的沙漠集水本领——纳米比亚沙漠甲虫 / / 077
3.7泥浆吸水——得克萨斯角蜥 / / 079
3.8蜘蛛网截雾取水 / / 081第4章毛细力驱动的自组装 / / 083

4.1MEMS中的毛细黏附现象 / / 085
4.2鬼斧神工的碳纳米管自组装形貌 / / 087
4.3浑然天成的多级结构 / / 093
4.3.1壁虎的脚 / / 094
4.3.2贝壳的多级结构 / / 099
4.3.3多级毛细黏附结构 / / 101
4.4液面上互相吸引和排斥的微小物体 / / 103第5章基于毛细效应的传感装置 / / 107

5.1悬臂梁传感器 / / 111
5.2液滴—微梁传感器 / / 116
5.3薄膜在液滴作用下的大变形 / / 119
5.4薄膜的毛细屈曲和褶皱 / / 123第6章驱动液滴运动的司机 / / 127

6.1液滴在液体界面上的定向运动 / / 131
6.2液滴在固体表面上的定向运动 / / 137
6.2.1浸润性不对称导致的液滴运动 / / 137
6.2.2几何结构不对称导致的液滴运动 / / 141第7章神奇的液体弹珠 / / 151

7.1液滴弹簧 / / 153
7.2液体弹珠 / / 156
7.2.1疏水性 / / 158
7.2.2在固体表面上的运动 / / 162
7.2.3弹塑性 / / 163
7.2.4褶皱和屈曲 / / 167
7.2.5强度 / / 169
7.3液体弹珠的应用 / / 170第8章三次采油的利器——界面张力 / / 175

8.1石油概述 / / 177
8.2二次采油之后剩余油的成因 / / 184
8.3三次采油中毛细力的作用 / / 189正文参考文献 / / 195
附录1托马斯·杨的力学贡献 / / 201附录2麦克斯韦对应用力学的贡献 / / 213附录3细长杆弹性线模型的发展历史 / / 225附录4表面浸润的机制: 最小作用量原理 / / 241
引言物理理论的简约之美 / / 001第一篇从牛顿到爱因斯坦 / / 013
1. 统一路上话牛顿 / / 015
2. 法拉第和麦克斯韦的忘年交 / / 019
3. 时间、空间成一统 / / 026
4. 惯性、引力、流形与几何 / / 030
5. 突破维数的疆界 / / 037
6. 外尔——苏黎世一只孤独的狼 / / 045第二篇奇妙的量子世界 / / 053
1. 普朗克放出量子精灵 / / 055
2. 薛定谔的紧箍咒 / / 061
3. “不确定”的海森伯 / / 067
4. 哥本哈根的灵魂 / / 0701目录爱因斯坦与万物之理: 统一路上人和事5. 狄拉克玩数学 / / 073
6. 泡利——上帝的鞭子 / / 079
7. 自旋的奥秘 / / 086
8. 造物者的灵符 / / 091
9. 费曼的游戏 / / 097
10. 粒子和场 / / 104
第三篇对称和群论 / / 113
1. 少年天才创群论 / / 115
2. 奇妙的旋转 / / 125
3. 何谓“李代数” / / 132
4. 数学才女论守恒 / / 140
5. 对称破缺之谜 / / 144第四篇粒子动物园 / / 149
1. 追寻世界的本源 / / 151
2. 从炼金术到周期率 / / 154
3. 原子模型 / / 159
4. 粒子家族大爆炸 / / 163
5. 基本粒子知多少 / / 170第五篇标准模型 / / 173
1. 规范理论的诞生 / / 175
2. 杨—米尔斯理论 / / 184
3. 上帝是个左撇子? / / 191
4. 俘获上帝粒子 / / 198
5. 弱电同道 / / 205
6. 夸克世界五彩缤纷 / / 212第六篇大爆炸、统一论及其他 / / 219
1. 观察时间的起点 / / 221
2. 世界为什么是这个样子 / / 225
3. 暗物质和暗能量的启示 / / 230
4. 群星灿烂 / / 237
5. 顽固的引力 / / 242
6. 轮椅上的奇迹 / / 245
7. 威滕的菲尔兹奖 / / 248
8. 期待革命 / / 255参考文献 / / 259

1时间空间之谜 / / 001
1. 牛顿点亮的火把 / / 003
2. 电磁交响曲 / / 010
3. 寻找以太 / / 016
4. 相对性原理 / / 027
5. 什么是“同时”? / / 030
6. 万有引力 / / 032
7. 量子革命 / / 0392黎曼几何 / / 047
1. 几何几何 / / 049
2. 迷人的曲线和曲面 / / 054
3. 爬虫的几何 / / 061
4. 爱因斯坦和数学 / / 066
5. 矢量的平行移动 / / 0731目录上帝如何设计世界——爱因斯坦的困惑6. 阿扁的世界 / / 077
7. 测地线和曲率张量 / / 0833相对论佯谬知多少 / / 091
1. 双生子佯谬 / / 093
2. 同时的相对性 / / 097
3. 闵可夫斯基时空中的固有时 / / 101
4. 四维时空 / / 104
5. 匀加速参考系上的Alice / / 111
6. 飞船佯谬 / / 116
7. 质能关系E=mc2 / / 1194引力和弯曲时空 / / 123
1. 等效原理 / / 125
2. 圆盘佯谬和场方程 / / 132
3. 实验证实 / / 137
4. 时空中的奇点 / / 141
5. 霍金辐射 / / 145
6. 黑洞战争 / / 1485茫茫宇宙 / / 153
1. 宇宙学常数的故事 / / 155
2. 大爆炸模型 / / 163
3. 永不消失的电波 / / 170
4. 探索引力波 / / 174
5. 暗物质 / / 179
6. 引力透镜 / / 184
7. 暗能量 / / 188
8. 路在何方? / / 194附录 / / 197
附录A伽利略变换和洛伦兹变换 / / 197
附录B张量 / / 198
附录C度规张量 / / 201
附录D协变导数 / / 202
附录E质能关系简单推导 / / 204
附录F用飞船1号的坐标系解释双生子佯谬 / / 205参考文献 / / 207
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