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大王蓮靠浮力載重嗎？

96/06/07 31498

周榮華｜成功大學工程科學系

邱世彬｜成功大學工程科學系

大王蓮是荷池裡常見的植物，與一般蓮花相較，大王蓮除了葉子超大之外，其承載重量的能力也遠大於一般蓮花，是什麼原因造成這種結果呢？水黽是水塘裡常見的小昆蟲，在水面上滑行的能力令人難望項背，這又是什麼原因？兩者之間有關聯嗎？

大王蓮的載重能力

比重比水輕的東西，例如木頭，會在水中半浮沉，這是眾所周知的事。在鐵公路運輸尚不發達的區域，伐木業常會利用河流運送木頭到下游地區。在臺灣，颱風過後，漂流木淤塞漁港時有所聞，也是因為漂流木比水輕。在古老的傳說中，甚至有一則達摩禪師一葦渡江的故事，您相信嗎？

臺南縣白河鎮是蓮花的故鄉，蓮花是鎮上非常重要的產物與象徵。鎮上居民為了蓮花文化的多元化，特別種植遊憩用的大王蓮供遊客賞玩。當地荷農在大王蓮上放置一個壓克力圓盤，供民眾體驗「站」在水上的感覺。

一般而言，大王蓮的直徑可達1.5公尺，至少可以承載體重60公斤的人。依據阿基米德的浮力原理，物體所受的浮力等於其所排開的液重。當物體在液中靜止不動時，其重量等於所受的浮力。若忽略大王蓮與壓克力圓盤的重量，則大王蓮上體重60公斤的人所受的浮力是60公斤，相當於0.06立方公尺水的重量。換句話說，大王蓮只要下沉3.4公分，就可以靠浮力支撐體重60公斤的遊客。3.4公分的下沉量雖然不大，卻容易由視覺觀察出來。

但事實上，現場觀察顯示，體重60公斤的人站上去，並未讓大王蓮有明顯的下沉。因此可以推論，浮力並非大王蓮承載人體體重的唯一力量，那麼還有什麼力量呢？

不能小看的表面張力

有時候我們會在池塘或水窪中看到一種能在水面自由滑行的小昆蟲，這種昆蟲叫做水黽。它有6隻腳，成3對：最前面的一對較短，職司捕食；中間的一對較長，負責滑行；尾端的一對，具剎車與轉向的功能。這種昆蟲是如何浮在水面、用什麼方法在水面輕鬆自在地滑行呢？牠與前面所介紹的大王蓮有關係嗎？

若把視野拉近，大王蓮與水黽有個共通點，就是都浮在水面—水與空氣接觸的界面上。這個界面上有表面張力的作用，與地球的重力相較，重力不需接觸而作用在整個物體上，表面張力則需靠接觸且要有界面才能作用。

由於沿著與作用線垂直的方向施力，就可拉開成一個作用面，而力量與位移的乘積是功，功是一種能量的形式，因此表面張力也可說是單位面積的表面能。因為最小的表面能量是一種平衡的條件，所以水滴會呈現圓球狀，而肥皂泡泡的形成也與表面張力有關。水黽就是利用水的表面張力，讓自己浮在水面上的。

表面張力不是浮力，需要界面的存在，因此水黽必須避免弄濕牠的腳，所用的方法就是製造一個疏水的表面。在蓮花的葉面上滴一滴水，水滴會在葉上滾來滾去，這就是所謂的蓮花效應，是水的表面張力與蓮葉表面因奈米結構所形成的疏水特性所導致的。

水黽在水上滑行所牽涉到的表面張力效應顯而易見，那麼大王蓮呢？除了水翼船靠升力浮在水面之外，浮體大都是靠浮力或表面張力。大王蓮因為不動，所以沒有升力，若不完全靠浮力，而與表面張力有關，那麼表面張力的作用是從哪裡來的呢？

若把鏡頭拉近，可看到它與一般蓮花不一樣的地方，就是它的表面有數目甚多的小小突起。若把大王蓮的葉面翻轉過來（翻轉葉面時必須小心，因為大王蓮背面長了許多保護自己的銳利小刺），可以看到支撐荷葉的荷梗由中央呈網絡狀往外延伸，且形成一個個四邊形的小氣室，這些小氣室提供了表面張力作用所需的界面。由於小氣室的數目很多，所以大王蓮能夠支撐相當大的重量而無明顯的下沉，這不得不令人讚嘆大自然的神奇！

水黽如何滑行

水黽的英文名稱叫作water strider，即水上滑行者的意思。一個令生物學家好奇的問題是：水黽如何在水面滑行？

在西元2003年美國麻省理工學院的研究人員解開水黽在水上滑行的謎題前，學術界一直認為水黽是靠其足在水面產生表面波，藉由波的反作用力而在水面滑行。然而，這種解釋需要水黽的足快速划動才行！但是因為水黽的足頗長，根本無法快速划動。可是，水黽卻可輕易地在水面滑行，其極速可達每秒150公分，頗為驚人。若水黽身長以3公分計算，150公分相當於50個身長！試想，如果人類游泳的速率可達每秒50個身長，那會有多快？水黽在水面滑行的問題一直困擾著學術界。

仔細觀察水黽滑行時的水面圖像，可以發現水面有許多成對的渦漩（vortices）。這些成對渦漩的旋轉方向是相反的，水黽就藉著這些反向旋轉渦漩所產生的推力，輕鬆地在水面滑行。

讀者也許會覺得奇怪，自然界這麼多的現象，為何有人獨獨鍾情於水黽？這除了人各有所好的特質外，大概就是凌波虛渡的夢想了。人類因為夢想能像鳥類般在空中翱翔，雖然經過無數次的失敗仍無法在人的身上裝上翅膀起飛，卻因此而有了飛機的發明；因為希望在海中航行，所以有了船舶與潛艇。那麼水面呢？如達摩禪師渡江的傳說，可能嗎？

美國麻省理工學院的研究人員在了解水黽的滑行原理之後，就模仿水黽做了一種機械水黽（robostrider）。儘管機械水黽遠大於真實水黽，其滑行能力也遠較真實水黽低，然而這個機械水黽確實能浮在水面上。仿照生物一直是人類的一個夢想，這一研究領域稱為仿生學。有了機械水黽這個開端，說不定日後真的可以做出媲美真實水黽的水上仿生機器人。

表面張力的應用

由前面介紹的大王蓮與水黽，可略窺表面張力的特性。其實表面張力在工業上的用途也蠻多的，尤其是當一件東西的尺寸小到重力不再是主導力量時，表面張力的影響更是舉足輕重，也是微奈米等級的材料自行組裝（self-assembly）的重要力量。

電子書就是一個可以利用表面張力來顯示文字與圖像的例子。它利用一種「電潤濕（electrowetting）顯示技術」，主要用外加電壓來改變液體的表面張力，透過約20伏特外加電壓的作用，就可得到相當於一般紙張的反射係數與對比（紙張的反射係數約60％，對比約15）。最簡單的電子書是黑白畫面的書，可以顯示文字與黑白相片。若進一步對油膜（油滴）染色，就可產生彩色畫面。

電子書靠環境光源的反射來呈現資訊，因此它的重點在於如何讓光線作適當的反射。在無外加電壓時，疏水絕緣面上的油滴可藉疏水絕緣面、油膜與水三者間表面張力的平衡，讓油膜均勻地分布在含透明電極的底材上，而呈現均勻的色彩。加上電壓後，額外提供的電能會改變原先的平衡狀態，而把油膜上方的水拉向疏水絕緣面，油膜就被水擠壓成油滴形狀。油滴部分呈現色彩，絕緣面上含水的部分則因其透光性而呈現底材的白色，因而可以顯現字型做為電子書顯像用。

本文從日常生活中可以觀察到的一些現象，探索其背後的原因，藉大王蓮驚人的載重能力與水黽在水上輕易滑行的功夫，凸顯表面張力在生物界所發揮的功能，再把它引入於工業界的用途。其實，表面張力在工業界使用的例子頗多，日常生活中也是，值得細加觀察、仔細品味。此外，藉著表面張力，研究者可以在微觀尺度與巨觀尺度的世界中優游，進而突破尺度的限制，是一難得工具，值得探索。

資料來源

《科學發展》2007年6月，414期，58 ~ 61頁

表面張力(12) 蓮花效應(10) 水黽(3) 科發月刊(5210)

大王蓮靠浮力載重嗎？

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