空间站上没有重力,不能使用钢笔和圆珠笔写

10月16日凌晨0点23分,神舟十三号载人飞船成功发射,将翟志刚、王亚平和叶光富3名航天员送入太空,经过6个小时的飞行,神舟十三号飞船与我国的天宫空间站顺利完成交会对接,3名航天员从此开启了长达6个月的空间站驻留任务。

在以美国为主导的国际空间站行将“退役”之时,我国的空间站建设正在向着全面建造的目标稳步推进,明年我国将会再发射“问天”和“梦天”两个实验舱,与之前的天和核心舱、天舟货运飞船以及载人飞船共同组成天宫空间站的主体,从而全面完成建造任务并且向全世界开放运营。另外,天宫空间站建成后,还要发射一个空间巡天望远镜,与空间站“比翼双飞”,这个望远镜的口径约为两米,分辨率与哈勃望远镜一样,不过视场角要比哈勃望远镜大多倍,还能够在轨升级。

此次神舟十三号载人飞行的主要任务,包括机械臂辅助舱段转位、手控遥操作、出舱太空行走、安装大小机械臂双臂组合转接件及悬挂装置、开展相应的航天医学、微重力物理领域等科学技术试验等,并全面考核空间站各工程、各系统在执行任务时的综合性能,从而为明年全面开展空间站建造任务奠定坚实的基础。

6个月的空间站驻守工作,对于宇航员的身体和心理将产生双重的挑战。为了更好地进行身体和生理等方面的调节,尽可能高效地缓解压抑、紧张的情绪,我国3名航天员都携带了必要的“消遣”用品,其中最令人感兴趣的,莫过于翟志刚将我国的“文房四宝”带上空间站。想想我国的航天员在空间站内挥毫的场面,着实让我们激动不已,我国的传统文化没想到有一天,会以这样一种方式呈现在世人面前。

但是,细心的朋友估计心里会有一个疑问,那就是太空既然是一个微重力的环境,像依赖于重力自流作用才能使用的钢笔和普通圆珠笔,在太空中根本写不出字来,如果要书写,必须使用能够依靠气体的压力将墨水压出的特制太空圆珠笔,为什么用毛笔就能写出字来呢?

关键就在于一个神奇的物理现象-毛细现象。大家在日常生活中估计都遇到过这种现象,如果将一些较细的管子浸入装有水或者酒精的容器中,立即就会出现管内液面上升的现象,使得管内的液面高度要高出容器中原有液体的水平。如果用水银作为容器内的液体,那么细管内的液面高度,将会低于容器中的液面。在物理学上,将这种细管内的液面自动向上或者向下移动的现象,定义为毛细现象。

之所以会发生看似“突破重力”的毛细现象,究其原因,就在于液体表面分子的受力不平衡情况。作为液体来说,当与空气相接触时,其表面分子之间相互之间力的作用,与内部相比会逐渐变弱,越接近表层气液交界面,那么分子之间的结合力就越小,在“内大外小”的作用下,使得液面向着突起为球形的方向发展。之所以树叶小草上面早晨能够看到球形的小水滴,就是这种水滴表面分子内外受力不均匀的体现,科学家形象地称之为“表面张力”。

对于液体与固体容器相接触时,如果固体分子与液体分子之间的吸引力,超过了维持液体分子平衡的相互作用力,那么固体则会吸住液体,相当于固体被液体“浸润”了,就像水和玻璃一样。而假如没有超过液体内部分子间的作用力,那么这个固体就不能被液体浸润,就像水和石蜡一样。

而毛细现象,就是液体分子之间、液体与空气之间、液体与固体容器之间受力平衡的一个结果,在受力平衡的过程中,液体的表面形态就会发生相应的改变,即使是在无重力的环境中,这种由表面张力所引发的毛细现象,就会“推动”液体分子发生变形以及位置的转移。在空间站中,虽然没有重力,但是在毛细现象的作用下,墨汁与可以被浸润的毛笔材料发生相互作用力的平衡,于是墨汁便被吸入了毛笔材料中。

所以,在毛笔书写的过程中,熟练的人只需将毛笔尖放入到墨汁中,过一会毛笔便会“吸饱”,在毛细作用下,这些被吸入的墨汁便牢牢地被“困”在毛笔内部,不至于在书写时随处乱溅。当毛笔尖与纸张相接触后,留在毛笔表面的墨汁,同样在毛细作用下,被吸附到纸张之上,根本不需要重力的作用。

而钢笔、普通圆珠笔中的墨水,只停留在笔尖处,这些微量的墨水沾到纸张上之后,表面张力的作用,不足以使留在笔内部的墨水发生位置的移动,因此便再也写不出字来。

其实现实世界中的很多现象,都可以用分子间的相互作用力来进行解释,除了刚才提到的毛细现象外,虹吸现象实质上也是分子间相互作用力平衡的结果,只不过我们更多的是用大气压强来解释罢了。

祝愿我国的3名宇航员在天宫空间站上一切顺利,圆满完成任务,为我们踏上探索星辰大海的新征程作出更大贡献。



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