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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。

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