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标  题: [身边的力学]春蚕到死丝方尽——谈液体的拉丝现象——王振东
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 15:14:28 2005), 站内

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813～858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25～30天内经5个龄期，脱4次皮，发育成5龄蚕。5龄蚕食桑6～8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，想再找一个拴线的地方拉丝。这个试验说明，蚕丝不是“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（1126～1193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色蛛丝的巴拿马蜘蛛。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3～5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、色鲜、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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