把少量食用油倒进波涛汹涌的水域,比如湖泊里,大海里,水面就会变获得短暂的风平浪静,危难时刻使船只得以脱险。这是真的吗?
在今天这个实验发表之前,我是不相信的。
不过,凡事没有绝对。今天我亲自试了一次,用一盆水和少量食用油模拟了一个微缩版的水域,验证了文章开头的提法,果然在水面洒上一点油,盆里的波浪瞬间就平息了不少。食用油能够镇住波浪,这是为何?今天的实验将揭开谜团。(文末附实验视频)
实验目的
认识镇浪油的历史、应用以及原理
实验材料
水盆、食用油、清水

操作步骤
1.往盆中倒入清水,尽量维持高水位;

2.朝水盆中投入一个胶塞,制造水浪并观察盆中的现象;


3.捞出胶塞,往水面上滴入少许食用油。

4.使用同一个胶塞继续投入水中,再次观察水面的情况。


现象及原理
通过上面的实验我们发现:没有滴加食用油的水盆,被胶塞激起的波浪起伏较大,且持续时间较长;而在水面滴加少许食用油,用同样的胶塞激起的波浪起伏更小,持续时间更短,水面很快就平静了下来。

食用油的主要成分是三油酸甘油酯,水是极性分子,油是非极性分子,二者本身不相溶。铺在水面的油层实际等同于弹力面膜,依靠吉布斯表面弹性吸收波浪的能量。在水面波浪的推动下,油层内部产生纵波,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,从而压制了浪花,使汹涌的水面暂时得以平息。
实验示范视频
BGM:??Alexander Nakarada?- Reaching The Sky
拍摄/剪辑:科学奶爸
镇浪油的起源
航海时如果船只附近波涛汹涌,威胁船只安全时,往海面洒些油就能面对疾风而乘风破浪了。这样的事情,其实可以追溯到公元前350年亚里士多德的记载。
亚里士多德说,潜水之前,在海面洒些油花再下水,海面局部就会变得平静,潜水者入水后由于阳光穿过平静的水面,潜水者可获得更好的水下视野。
影像资料源于网络,侵删
当人们认识了镇浪油的效用之后,捕鲸船在途径深水区时也会在挂上鲸脂,相当于给海面抹了一层油,船只附近会相对平静。
发展到近代,担任搜救任务的船只也常常带着镇浪油的油袋执行任务(见下图)。

英国甚至为此立法,1894年英国制定的《商运法》(Merchant Shipping Act)就以法律形式要求英国船只携带镇浪油出行。
《泰坦尼克号》想必大家都不陌生吧,讲述的是1912年英国泰坦尼克号邮轮在其处女航时触礁冰山而沉没的事件,影片中穷屌丝与贵族女的爱情浪漫又悲催。
泰坦尼克号刚好赶上英国《商运法》时代,按理说如此豪华的邮轮应该备足了镇浪油。所以理论上,当杰克面对爱人的最后时刻,即将沉海前他的身上应该挂满了油脂,肉丝甚至可以把他点燃了取暖。(当然,导演不会这么干)

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。
镇浪油一词在国内的出现是1996年,经全国科学技术名词审定委员会审定发布,以航海科学技术名词发布的。
其实人们对镇浪油可能比较陌生,但是对于它的应用你一定不陌生。比如在上一期的实验《可乐油封》里(点击此处回顾该视频),小伙伴们的留言:吃鸳鸯锅时,辣汤那边总是先滚而且不漫锅,以及熬稀饭时倒点油也防溢锅。

吃货里的科学家无疑了~~
还记得漂亮国那个玩闪电的男孩富兰克林吗?他与镇浪油也有过交集。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泼到了水面上。
刚开始富兰克林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,他把油倒在池塘的水面上,结果附近果然没有起浪。
镇浪油的原理
今天的实验很简单,但原理着实有点烧脑。
首先要从食用油的成分说起。食用油的主要成分是三油酸甘油酯,它分子的一面有一个带负电荷的亲水基,它会和水中带正电的水合氢离子H3O+结合在一起。再加上三油酸甘油酯分子的另一端还有三个甲基,它们并不喜欢水。

所以它们会翘得高高的,就像发芽的大蒜,以面朝大海屁股开花的姿态浮在水面。不过可别小看了这些长得奇奇怪怪的油酸分子,它们就像独特的“弹力面膜”弹走鱼尾纹~~吸收波浪的能量,压制浪花的形成。

不就是一点油花吗?究竟是如何吸能的呢?2007年,斯坦福大学的物理学家彼得?Peter Behroozi和他的同事告诉了我们答案:他们用激光干涉研究后发现,油花镇浪主要是依靠“吉布斯表面弹性”(Gibbs surface elasticity)。这篇论文发表在?American Journal of Physics上。当然,表面张力也起到了一定的作用。

这么高深的原理核桃没吃够的话可能理解起来有点费力。简单来说就是,当波传播时,油花的内部会形成纵波,震动的方向与波的传播方向相同,就跟弹簧一样的。

其中波峰与波谷的运动方向是相反的,使得油层与水之间产生较大的剪切力,从而压制了浪花的形成。

科学家们为了证实镇浪油起主要作用的是吉布斯表面弹性,而不是表面张力或油的粘度,他们还用水和丙酮的混合液做了对比。结果发现,油层发挥的表面弹性对于镇浪效果至关重要。
好了,今天的实验就到这里了,写得有点多,结束之前归纳一下今天文章的中心思想:
行船不靠桨全靠浪,去皱不靠揉全靠油。
温馨提示:往天然水域倾倒油脂会破坏自然环境。
本文参考资料:
Oil - on - Water Calming Effect - psidot?
The calming effect of oil water
Oil on troubled waters test - CuriosityShow?
Crazy Lake Experiment - What The Physlcs ?!
Deepwater Horizon disaster , five years later --свс News : The National Race to clean up Indian Ocean oil spil -Свс News?