如何跟小朋友解释「为什么毛笔那么软，却可以写字」？ 第1页

毛笔能写字是因为毛细现象。

当我们把一根细小的玻璃管（毛细管）插入某些液体（比如水）中，就会发现，尽管有重力存在，但液面依然会上升，这就是毛细现象。不过不是所有液体都会出现液面上升的现象，像水银，水银不能浸润玻璃，玻璃管插入水银中，液面就会下降。毛细现象的发生来源于水的表面张力。

当玻璃管插入液体中，会在不同介质表面产生表面张力，如图所示：

先介绍一下表面张力。表面热力学中表面张力定义为作用于表面或界面的切平面单位长度线段上张紧的力，数值上等于温度、压力、组成一定的情况下单位表面或界面的吉布斯函数。因为形成表面或界面需要吸收能量，因此表面张力是一个收缩的力，一滴水会形成球形液滴就是因为表面张力。

如上图所示，毛细玻璃管插入液体（比如水）中时，会先被水浸润，所谓浸润就是指有一些液体会附着在固体玻璃管上。整个液面会形成一个弯月面，若没有重力，弯月面应该是球面的一部分。上图中O点为固、液、气三相会和点，θ角为浸润角。在O点一共有三个相分界面，因此有三个表面张力存在，分别是固液表面张力σs-l，方向沿管壁向下、固气表面张力σs-g，方向沿管壁向上、液气表面张力σl-g，方向为O点液面切线方向。当相界面不再移动后，三力在竖直方向上平衡，可以推导出：

这就是杨式方程。

不难看出，如果 ，发生浸润，否则，不会发生浸润。水银便不会发生浸润。

发生浸润时，毛细玻璃管中的液体会上升一段，对液体而言，其受力如下图所示：

图中σl-g是上文液气表面张力的反作用力，在这里可以看作玻璃管对管内液体的吸引作用，这个力在竖直方向上的分力与重力平衡可以计算出液面上升的高度。

向上的附加力为：

重力为：

二力平衡可求得，平衡高度为：

上述平衡高度也可以通过热力学方法求得，考虑到是小朋友问的，就不展示了。

毛笔的书写便是利用了毛细现象，当极细笔毛浸入墨汁后，由于毛细现象，墨汁会在笔毛中上升，附着在笔毛上。落笔时，又会因为摩擦沾到纸上，而柔软的笔毛在不同的力下，可以发生不同程度的形变，写出的笔划粗细有致，尽展锋芒，也正是借助毛笔，才有了中国独有的书法艺术，使得汉字书写不仅可以用来记录，更是意见珍贵的艺术作品。

参考文献：[1]朱元海,匡洞庭,王签.关于“毛细现象的能量来源”的表面热力学讨论[J].大学物理,1998(09):20-23.