航天科普:为甚么空间站上能运用毛笔?

休闲 2023-01-31 21:35:15 1

版权回原作者全部,航天如有侵权,科普空间请接洽我们

1.掉落重与钞缮

当宇航员进入太空时,为甚传统的站上钢笔、圆珠笔必需依靠重力将墨水漏入笔尖,用毛因此没法运用。航天超有趣的滑雪大会跳健身操铅笔固然可以正常钞缮,科普空间但微小的为甚导体石墨粉能够带来灾祸性的结果。现代的站上太空笔依靠气压将墨水压出。在神船十三号的用毛飞翔义务中,翟志刚携带中国传统文房四宝进入空间站,航天将中华儿女骨子里的科普空间剑胆琴心掩饰得极尽描摹。

图1 神船十二号航天员刘伯明在【开学第一课】中挥毫写下“梦想”二字

且慢,为甚为甚么其他水笔不克不及用,站上毛笔这出身于先秦的用毛新鲜文具,能在21世纪的星海探险中发扬感染?

要回答这个标题,我们要起首思索一番,毛笔是怎样钞缮的。谜底看起来很复杂:毛笔下面接纳了墨水,在笔尖与纸张接触的时辰,墨水就从笔尖转移到了纸上。然则,假设深切思索,佳木斯健身操一共有多少节为甚么只要当毛笔接触到纸张时,墨水才发生转移,其他时辰呢?

图2 舔笔,假设蘸墨太多,就可以用砚台边沿把多余的墨水刮掉落

实践上,墨水自动发生转移也是常有的事项。初学者有光阴会一口吻蘸上太多的墨水,墨水就会从笔尖上滴上去。毛笔蘸墨时会有非凡的技艺:只需把笔尖的一局部浸入墨中,多么可以包管只吸入恰当的墨水,墨水就不会从笔尖滴落。所以,一支毛笔能留住的墨水,有一个下限。

2.一股微妙的力

透过现象看实质,既然毛笔可以留住墨水,那末一定有一个机制来克制重力,这个机制会是甚么呢?我们无妨看一看墨水分子遭到哪些力。由于毛笔笔尖是一个开放的地域,遍地的大年夜气压是平衡的,因此只需要琢磨重力与分子之间的相互感染。分为两种,刘芳塑形美体健身操一局部是液体分子之间的相互感染,而另一局部是液体与容器壁分子之间的相互感染,使液体黏附或疏离。两种相互感染都有磨擦力,微不雅上表现为电磁相互感染,假设在宏不雅上结合起来,就带来一种叫做毛细现象的微妙现象。

毛细现象是指,将一根毛细管浸入液体中,比拟管外液面,管内液面会自发向上或向下发生移动。关于生活中罕见的液体,例如水和酒精,它们在细管中均会上升。在化学实验设置溶液时,运用量筒读数时,视野应与凹液面最低处或凸液面最高处平行。关于凹液面,由于水能浸润玻璃,是以会被吸附在容器边沿,再由于外不雅张力而沿着器壁自发移动,表现为上升,健身操空腹左右扭一扭从而表现为边沿高,中心矮。

图3 不合液体中的玻璃毛细管

量筒中的水银则反之:由于水银不克不及浸润玻璃,从而有剧烈的趋向“逃离”容器壁,表示为下落。当粗大年夜的量筒赓续变细,细到液面发生变卦的规范,已与管的直径相当,此时细管内的液体将集团发生移动。管越细,液面上升或下落就越清楚,是以得名为毛细效应。

3.毛细现象的面前

毛细现象第一眼看上往很背反直觉。人们常说,“水往低处流”,为甚么水可以自发往高处移动?能量守恒定理通知我们,能量不会凭空发生或消掉落,液柱上升的进程随同重力势能的增大年夜,是以一定能找到另一种能量,在这个进程中是降低的。没错,这类能量来自液体的杨丽萍新年广场舞健身操外不雅张力

起首琢磨液体-气体(或真空)的接壤面。在界面两侧,液体分子的组合情势有很大年夜的差异。

图4 液体与界面处的分子有不合的相互感染大年夜小

在液体外不雅与外部,液体分子之间构成的相互感染很不相同。外不雅的液体分子相互衔接更少,相互感染更弱,因此两侧受力不均。在这类受力不均的状况下,外部受力较大年夜,将自发向外部“凹陷”,因此在不受重力的状况下,一团液体将出现球形。在这类状况下,外不雅张力将使液体分界面变弯,使之到达能量最低的静谧状况。

而在液-固接壤面,除了液体分子相互感染的感染力,液体分子与固体分子(原子)的相互感染也变得弗成无视。分子之间的相互感染,深刻可以用莱纳德-琼斯势走漏表示:

图5 分子间相互感染与距离的关系

关于液体与固体分子之间的模范距离,二者之间存在相互接纳的相互感染。假设液面与固体的接纳力跨越液体分子之间的接纳力,我们就以为,固体外不雅可以吸附住液滴,叫做浸润。例如水能浸润玻璃,但不克不及浸润蜡烛。但假设液体分子之间的相互感染更强,例如水银原子之间的相互感染强于水银与玻璃分子之间的相互感染,液体就不克不及浸润固体。

图6 液滴在固体外不雅的情势,化学实验中,烧杯要洗到出现水膜(a),不克不及聚成水滴或成股流下(b、c),就运用了浸润事理

综合液体分子之前的相互感染,和液体分子与外部固体分子的相互感染,我们就取得了外不雅张力,并依据这两种相互感染的大年夜小,将液体-固体分为浸润与否两类。

标题标解答就是多么。毛细现象实践上央求到达一种平衡:液体分子相互感染,与液体与外不雅相互感染的平衡。在到达这个平衡的进程中,液体外不雅会发生变形。毛笔的资料,兽毛,也就是蛋白质,像玻璃一样可以被水浸润。由于分子间相互感染不受重力影响,毛细现象在空间站外面自然也可以或许发生,因此毛笔在掉落重前提下,也可以或许自始自终地吸入墨水,并正常钞缮了。

4. 毛细现象的运用

从毛细现象的描画,我们可以直接取得两个推论:

1. 由于阻力的存在,毛细现象并不克不及用来延续做功,一切“永念头”都是弗成能完成的。

2. 假设没有磨擦力,那末毛细管将赓续把液体吸到高处,直到充满整根管子或从顶部喷出。

2恰是有名的“超流”现象。超流是一类宏不雅的量子现象,其事理较为复杂,本文不再详细描画。从直不雅上讲,超流体的特点是活动时不遭到阻力,它和正常流体之间在微不雅结构上存在庞大年夜的差异,像液态-气态那样,分属于不合的物态。特定温度下的液氦就属于多么的超流体,它们可以从毛细管中喷出,构成喷泉。

图7 超流液氦喷泉

液氦喷泉依然知足能量守恒:当液氦从毛细管中喷出后,容器里的液氦温度会上升,这个现象被称为“机械热效应”。当超流液氦被加热到特定温度,也就是大年夜约零下271℃(准确来说,大年夜约是2.18K)时,超流液氦变成深刻液氦,喷泉遏制任务。全部进程相当于原本的化学能(实质上是电磁相互感染的势能)变成了重力势能与动能,然后再变为化学能。

别的非浸润也有弱小年夜的运用价值,例如水银与玻璃。将水银倒入量筒中,它的液面向上凹陷,注解水银会自发沿着玻璃壁下落。由于这特性质,在玻璃毛细管中,水银会下落,而不是像水那样上升。这特性质被人们运用在体温计修建中:体温计的玻璃液泡与测量管之间有一条很窄小的细管。

图8 体温计液泡与测量段之间的细管,水银柱在这里很随便被拉断

当测量温度中缀后,体温计被拿到空气中,液泡温度矫捷下落,招致水银紧缩。由于毛细现象,弯管处细液柱被折断,使进入测量管的水银没法回到液泡,因此体温计一旦分开人体,示数就不再发生变卦了。

关于那些极端憎水的资料,液体与容器壁之直接纳力很小,液滴就可以在外不雅自在滚动。荷叶外不雅充满纳米规范的凹陷,这些凹陷招致水没法浸润荷叶,让水滴不会逗留在这类水生植物的叶子上。

图9 疏水的植物叶片

5. 总结

当我们放眼星斗大年夜海时,先人那些充满创意的聪颖也在看着我们。等候三位宇航员能安然酣畅地渡过太空中的半年,并创作出与空中上一样出色的书法作品。


图片来源

图4 分子胪列

https://www.biolinscientific.com/measurements/surface-tension

图5 势能曲线

Lavocat, Jean-Christophe. (2014). Active photonic devices based on liquid crystal elastomers. 10.13140/RG.2.1.1053.4644.

图6 液滴

Nag, Angshuman & Panda, Biswa & Chattopadhyay, Arun. (2005). Performing chemical reactions in virtual capillary of surface tension-confined microfluidic devices. Pramana. 65. 621-630. 10.1007/BF03010450.

图7 超流喷泉

http://www.zmescience.com/other/feature-post/10-quick-scientific-facts-will-blow-mind/

图8 体温计的细管 http://www.zjtansuo.com/kexue/article/detail/courseId/c05b011/id/577f4dc1a179de1d/type/article

真空中可否存在虹吸现象?

有一根充满纯水的玻璃n形管,个中的一端泡在高处的水中,另一端放在低处,那末水就可以超出不太高的中缀,赓续流向低处,称为虹吸现象。我们一样平经常运用压强差来解释这个现象。


图10 虹吸现象与解释,A为虹吸管正中心的一个薄液片

那末,在存在重力的真空中,假定翻越的中缀h1不太高,虹吸现象可以继续发生吗?为甚么?迎接留下你的谜底。



来源:中科院高能所

作者:3C 273



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