为什么菜油倒海上能救命？这道题美国学霸国父也不会做 | 把科学带回家

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导读


划船不靠桨全靠浪，去皱不靠揉全靠油。

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撰文 七君

中学物理有一道经典的题，那就是用油铺在水面上的面积估算油分子的直径。

这是一个正经的物理实验，不是命题组老师为了为难你瞎编的。第三代瑞利男爵、欧文·朗缪尔等物理学家就在一百年前做过。可是，这个实验还有个更有趣的副本，许多人没有玩过。

是这样的，这层油花，可以平息海浪。

有人已经做过了这个实验，把普通的食油biu倒入池塘，然后池塘就镜面化了。我们一起来看看效果——

看到木有，浪不起来了，仿佛这个世界雨我无瓜。

如果在航海的时候在船附近撒上油，是不是就可以面对疾风，乘风破浪了呢？

没错，这就是镇浪油的起源。水手在遇到大风大浪的时候，会把船上的菜油全部倒到海里，让船体附近变得平滑可导。

古代就有这样的镇浪油技术了，最早可以追溯到公元前350年亚里士多德的记载。亚里士多德说，潜水者在下潜前会在水面撒上一层油花，这样子海面就会变得局部平静，日光就可以射入潜水区域了。

捕鲸船在穿越深水区时也会在船上挂上鲸脂，给海面抹油。

近代在执行营救任务的时候，搜救船只也常常带着镇浪油油壶。比如，英国1894年制定的《商运法》（Merchant Shipping Act）就要求英国船只携带镇浪油。

镇浪油袋 图片来源：rmg.co.uk

泰坦尼克号的时代赶上了这部《商运法》，所以泰坦尼克号上的救生船也有镇浪油。理论上，泡在水里的杰克身上应该是油乎乎的，肉丝可以把他点亮取暖。

美国海运管理处（United States Maritime Service）的训练手册里就包括在救生艇上塞入镇浪油。美国海岸警卫队（USCG）也曾要求救生艇携带镇浪油，不过在1983年，这个要求被取消了。

实际上，我们在海面上看到的不少石油并不是意外泄漏，而是故意放出来的镇浪油。比如在1973年3月18日，在波多黎各西南部航行的油轮 Zoe Colocotronis 就把150万加仑的原油倒入海中，方便船只航行。

英语里有 to pour oil on troubled waters（息事宁人）的习语，也是从这个现象来的。

那个玩闪电的男孩、美国开国元勋兼科学家富兰克林也和镇浪油发生过交集，他还用这一招迷惑了不少小朋友。

1757年，在加拿大新斯科舍（Nova Scotia）附近航行的时候，富兰克林注意到有两艘船附近的海浪很平静。富兰克林从船长那里得知，这两艘船的厨子把油撒到了水面上。

一开始富兰克林自己都不信油有这样的作用。有一次在英国南部克拉珀姆（Clapham）的大风天里，他把油倒在池塘上，结果附近果然没有起浪。

看到了这一幕，富兰克林就有了耍人的想法。

他经常拿着自己蘸着油的竹拐杖，告诉大家他要在水上徒手开平方了。然后他走到池塘附近，用拐棍在空中划三次，果然开出了个平圆，水面的皱纹都被弹走了。同行的小伙伴演员 David Garrick、法国哲学家 Abbe Morellet 都惊呆了。

富兰克林后来把这个现象和英国皇家学会的会员 William Brownrigg 讨论了一番，但是没有讨论出什么结果。

那么，为什么油能够镇浪呢？

这和油的性质有关。

首先，油在湖面上形成的这层油花，有且仅有一个分子那么厚，和你习题册里描述的一样。

三油酸甘油酯 图片来源：wikipedia

为什么只有一个分子呢，这是因为油的主要成分——三油酸甘油酯分子的一面有一个亲水基，这个亲水基带负电荷，和水中带正电的水合氢离子H3O+结合起来，发生亲水搅基作用。

所有的油分子都想和H3O+亲亲，只要给足够多的时间，它们也确实能做到，因此最后水面的油层就只有一个油分子那么厚，而且都是面朝大海，屁股开花的姿势。

说油酸分子屁股开花是因为，三油酸甘油酯分子的另一端还有三个甲基（CH3），它们不喜欢水。和水接触后，它们仨就直直地插出水面，拗出开花的造型。

这些姿势奇怪的油酸分子，实际上就变成了一个弹力面膜，这个弹力面膜有阻尼的作用，能够吸收波浪的能量。

那么，镇浪油具体是怎么吸收能量的呢？

2007年，斯坦福大学的物理学家 Peter Behroozi 和同事在 American Journal of Physics 上发表了一篇论文，用激光干涉计兴致冲冲地研究了镇浪油的原理。

你大概认为镇浪油主要是靠表面张力？就像百度知道描述的那样？

别听他乱讲哦

其实不是，他们发现油花主要是靠吉布斯表面弹性（Gibbs surface elasticity）的作用弹走鱼尾纹的，表面张力只起到了次要的作用。

具体来说，当波向右传播的时候，油花内部产生了纵波，也就是像抖抖抖的弹簧那样，振动方向与波的传播方向平行的波。

纵波

油花纵波的波峰和波谷的运动方向相反，这样的运动方式使油层和水之间产生了相当大的剪切力，压制了浪花。

在下方的波浪的推动下，三油酸甘油酯单分子层（竖起来的那一排）内部产生了纵波。图片来源：（DOI）10.1119/1.2710482

为了证实的确是吉布斯表面弹性，而不是表面张力或黏度的作用， 这些物理学家还用水和丙酮的混合液做了实验。

他们发现，虽然水和丙酮的混合液的表面张力和橄榄油类似，但是却还是能浪，这证明油层带来的表面弹性是真的重要。

划船不靠桨全靠浪，去皱不靠揉全靠油。

扩展阅读：

背景简介：文章于2020年4月6日发表于微信公众号 把科学带回家（为什么菜油倒海上能救命？这道题美国学霸国父也不会做），风云之声获授权转载。

责任编辑：陈昕悦