春蚕到死丝方尽——谈液体的拉丝现象
春蚕到死丝方尽——谈液体的拉丝现象王振东相见时难别亦难东风无力百花残。春蚕到死丝方尽蜡炬成灰泪始干。晓镜但愁云鬓改夜吟应觉月光寒。蓬山此去无多路青鸟殷勤为探看。这首篇名“无题”的著名七言律诗是唐代诗人李商隐约公元813858年所作。因早已脍炙人口所以被选在包括《唐诗三百首》在内的各种唐诗选本之中。“春蚕到死丝方尽蜡炬成灰泪始干”是这首无题中最有名的两句。后人常用来歌颂心目中的英雄人物和人类灵魂工程师那种“鞠躬尽瘁死而后已”的高尚精神。当您使用“春蚕到死丝方尽蜡炬成灰泪始干”时可曾想到蕴含在这名联之中也有十分有趣的力学现象。我国著名文学家周汝昌先生对这一名联曾作过精彩的注释“春蚕自缚满腹情丝生为尽吐吐之既尽命亦随亡。绛蜡自煎一腔热泪而长流流之既干身亦成烬。有此痴情苦意。几于九死未悔方能出此惊人奇语。”并称此联有“惊风雨的境界、泣鬼神的力量。”对于如此精美的解释笔者不敢妄加评论但从力学的观点可以提出这样的问题蚕丝究竟是怎样形成的是“吐”出来的吗蜡烛在燃烧的时候为什么总要“流泪” 我们先来讨论蚕丝是怎样形成的。蚕卵孵化成蚁蚕后在2530天内经5个龄期脱4次皮发育成5龄蚕。5龄蚕食桑68天后停止食桑皮肤透明成为熟蚕。这时蚕腹的丝腺内充满了由于化学反应形成的粘液体——蚕丝的原料亦称为丝液。可以仔细观察一下蚕的动作。蚕把嘴里的丝液粘到某物体上丝液中的丝胶起着“粘”的作用然后蚕的头按照8字形左右摇摆摇晃着把丝液拉成丝线靠丝线表面上剩留的丝胶将丝线粘到茧的内侧这样慢慢地作成了茧。有人做了这样的试验让一个粘着丝液的物体也随着蚕的脑袋一起摆动那么从蚕嘴里就“吐”不出丝线来了。也就是说如果蚕的脑袋不摆动丝线就不会“吐出来”。而如果拿住线头抽拉就可以连续不断地拉出丝线来如果你用剪刀将丝剪断蚕就难于再继续拉丝了于是它的头就在空中摇晃着想再一个拴线的地方拉丝。这个试验说明蚕丝
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不是“吐”出来的而是“拉”出来的。养蚕的农家儿童常捉蚕来玩。捉一条又肥又大的即将作茧的蚕捏住它的头尾猛地一下左右拉开这时头尾分离了而从蚕腹中却拉出一条直径约1毫米长约30厘米的透明结实的丝线。如果慢慢地拉就不行了蚕体被拉断后体液滴滴嗒嗒地流出来什么也得不到。为什么快拉就能成丝慢拉就是液体流出来呢现代科学的研究表明蚕丝是通过力的作用由丝液拉成的这个现象叫作“牵引凝固”。丝液的主要成分是丝蛋白丝蛋白的链状分子是线团状态。丝液是粘性液体它的线团状分子呈圆球状当你慢慢拉伸时圆球分子之间只有滑动没有其他变化所以整个液体只是流动。当你快速拉伸时各个分子还来不及流动就被伸开了。被拉开的丝蛋白链状分子有了新的排列产生了变异相互靠近的分子之间产生了很强的结合力。这种丝蛋白分子之间的“结合力”虽然比原子之间的作用力弱但是长链的各链节之间却有很强的结合所以形成了整体上很结实的蚕丝。蚕腹的丝液直接用手去拉只能拉成像钓鱼线那样粗的丝线但如果借助于蚕的嘴就能拉成纤细而漂亮的丝线直径可以细到0.002毫米长度可达1200米左右。蚕的嘴是由“角质蛋白”形成的嘴巴上有一个“调节口”当丝液经过它时可对流量进行着适当的调节。由上所述我们可以得出如下结论蚕腹中有胶状丝液形成结实而又漂亮的蚕丝的主要条件是拉力。蚕丝不是从蚕嘴里吐出来的而是通过嘴巴的流量调节用力拉出来的。这就纠正了根据头脑中的“常识”而提出的、没有可靠的实验根据的桑蚕吐丝的传统看法。在现代化学纤维工业中人们正在模仿蚕所作的工作用“拉伸”的办法制造尼龙和涤纶等合成纤维。只是在开始作成丝状时先要对液体施加很大的压力使从一个小孔中挤压出来再去拉伸。如何又快又好地拉出丝来正是流变学中“拉丝流动”所研究
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的内容。实际上我们现在还比不上蚕还不能像蚕那样只靠拉牵就能制出漂亮而结实的丝线来。蚕这个小生物身上还有许多问题有待我们去研究和探索。除了桑蚕平常所讲的蚕就是指它之外柞蚕、蓖麻蚕、木薯蚕、樟蚕、柳蚕和天蚕等也都不是吐丝而是拉丝的。蜘蛛结网也是这样它肚子里有“蛛丝液”从腹部末端而不是从头部嘴里拉出丝来但蜘蛛拉出的丝不如蚕丝那么结实。蜘蛛网有两种丝一种是指向外面的它较结实而光滑另一种是一圈一圈的它很有弹性并且布满粘液珠。据说在一个好的蜘蛛网上有25万个以上的粘液珠以用来粘住飞虫供蜘蛛饱餐。宋代诗人范成大11261193年在“四时田园杂兴”诗中所写“静看檐蛛结网低无端妨碍小虫飞。”正是这一情况的生动描述。还有一种结草虫也可以拉出几乎与蚕丝结实程度不相上下的丝它的“巢壳”外表有树叶和小枝缠挂着“巢壳”的内侧像蚕茧一样结实用手指都不易戳破它。由科学家研究得知蜘蛛丝和钢丝一样坚硬却又比钢丝富有弹性还特别耐寒在-50℃到-60℃的低温下才会变脆发生断裂而一般聚合物在零下十几摄氏度就会变脆。利用蛛丝的这些特性若以它为原料制作防弹服装、降落伞等军需物资则在冬季使用有极佳的性能。据《世界知识》1994年第13期报道美军正责成有关部门饲养能产坚韧的金黄蛛丝的巴拿马蜘蛛。这种蜘蛛个大体胖是一般蜘蛛的十几倍。采集者从蜘蛛蝮中引出蛛丝用镊子夹住末端将其绕到装有小型电动机的纺锤上纺锤轻巧地转动蛛丝也就唾手可得。一般每次可提取蛛丝35毫克每段丝长可达320米。最令人吃惊的是抽丝对蜘蛛并无伤害每天都可提取。只要稍加注意就可以看到日常生活中有不少液体也是能拉丝的比如敲开鸡蛋后将蛋黄取走所留下的蛋清。蛋清是搅动一下后能弹缩回来的液体也是一种向上挑能拉丝的液体。可以用筷子插入向上挑一下试试看。当向上挑的速度很慢时蛋清像液体一样流了下来不拉酸梅汤粉
丝。当向上挑的动作很快蛋清不粘筷子也不拉丝。可是当向上挑的速度适当时蛋清就拉丝了。当蛋清拉的丝断了的时候还可看到在断开的一瞬间会像橡皮条那样稍有收缩。用筷子挑山药汁以及婴儿流的口水情况也都相似。这种液体能拉丝也跟蚕的丝液能拉出丝一样是因为它们有粘性和弹性的双重性质。动物和植物的“粘液”大多具有粘性与弹性的双重性质。比如蜗牛和蛞蝓的粘液人的唾液、痰、鼻涕鳝鱼的粘液海藻表面的粘液芋头的粘液等。这些液体用力搅动后都能表现回缩的弹性向上挑的速度合适也能拉出丝来。研究表明在拉丝现象中粘滞性起主要作用弹性起辅助作用。也就是说可流动性是拉丝的基本条件再加上可伸缩的弹性才能出现拉成长丝的现象。有些食品以能拉出丝来而著名。如主产于河北沧县及山东乐陵的金丝小枣以核小、肉厚、鲜、味浓、糖多、质细著称而购买时鉴别质量是否上乘的标准主要就是用手抓住小枣两头猛一撕开后能否拉出很多金丝来判别。成语“藕断丝连”也正描述了鲜藕切断后藕中所含粘液被拉出丝的情况。菜肴中有一道拔丝菠萝或苹果、山药等就是用炒糖稀作成粘液裹在上面以能拉出许多糖丝来著称。当然也有的食品在新鲜的时候不会有拉丝腐坏了才容易拉丝人们也常以此来判断这些食品是否腐坏变质了比如农历八月十五中秋节时的月饼。接着我们还要再讨论一下“蜡炬成灰泪始干”是怎样的力学现象。如果仔细观察一支燃烧时的普通蜡烛就会发现靠近火焰的油脂比靠近外边的热因此它有较弱的表皮从而形成了一种持续的环流油腊由面上向外流然后又从下面流回来形成一组涡旋。油脂运动时因携带着细小的灰尘颗粒就容易使这种运动看清楚。因为油脂在做涡旋运动热油脂极易从面上流到蜡烛边上再在重力作用下沿蜡烛的圆柱表面由上流淌而下这就是“泪”。而“泪”流不远即因温度降低而凝固在蜡烛的圆柱
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表面上又形成了“泪痕”。这种“泪”当然只有等油脂全部烧尽成气跑掉后才会“干涸”。

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