太空科学课（十八）——变“懒”的太空水球

文/太空熊猫君

在毛细实验之后，神舟十四号飞行乘组的航天员们又为我们演示了水球变“懒”实验。今天，我们就继续跟随他们，去看看太空中的水球为什么变“懒”了吧。

首先，刘洋为我们展示了一个太空水球装置。这个装置我们并不陌生，在之前的太空授课中，这种固定水球的金属环都出现过。这一次，它是用来帮助我们理解微重力环境下的水球振动现象的。然后，刘洋又拿出了一个空注射器。随着刘洋将注射器内的空气快速地挤压出去，一股看不到的气流冲向了水球，水球随之发生了剧烈晃动。

如果说水球象征着航天器内部的液体燃料，快速冲击它的空气就是航天器飞行过程中受到的外力作用。可见若干液体燃料在航天器内发生如此剧烈的晃动，会给航天器的飞行安全和姿态控制带来极大的风险。那么，我们应该如何减小这种振动呢？刘洋给出了一个答案：在水球内部增加一个空心钢球。这一次，刘洋采用同样的力度、同样的方向推动注射器，注射器内的气流冲向水球，却没有再让水球产生明显的振动，水球变“懒”了！

为什么会发生这样的现象呢？这和液体的振动现象有关。振动可以算是一种非常常见的运动了。振动是一个物体相对于静止参照物发生的往复运动，例如当我们拨动琴弦、敲击鼓面或者晃动一根树枝之后，这些物体就会发生振动。理想情况下，振动会保持着固定的振动幅度和周期。不过现实生活中的振动往往会受到摩擦力、流体阻力或者物体自身结构等因素的影响，振动幅度逐渐减小，最终达到静止或者稳定的状态，这种消减作用叫作阻尼效应，而这种振动就叫作阻尼振动。

你应该已经发现了，当航天员用注射器向水球挤压空气之后，水球受到空气的冲击向另一侧偏移，只要冲击力没有特别大，水球就又会被自身的附着力和表面张力拉扯回来，这就形成了振动。没加金属球的情况下，水球自身的阻尼效应比较小，水球就会振动得很厉害。而放入金属球之后，金属球自身的质量大大增加了整个系统的阻尼效应，水球的振动幅度就变小啦！

在日常生活中，过大的阻尼效应可能会影响设备的正常运行。例如音响设备的扬声器，就是通过振动来发出声音，如果阻尼效应过大，不仅会影响音响的音质，还会给扬声器带来损耗。

通过合理利用阻尼效应，科学家和工程师也可以改善我们的生活。例如很多大型机械设备在运转的时候往往会发出噪声，这对设备的寿命和周围人的健康都有很大的危害。材料科学家就可以通过在设备上涂刷阻尼材料，减小设备的振动幅度，进而降低噪声。在建筑工程中，建筑师还会通过阻尼器来减小建筑物在地震时的振动幅度，提高建筑物的抗震能力。

在做完水球变“懒”实验后，刘洋拿出了一根2 米长的吸管，吸管的另一头放入芒果汁中，她轻轻一吸，芒果汁就顺着吸管流入她的口中。你有没有试过用一根2 米长的吸管来喝饮料？如果你曾经尝试过或者准备尝试，你会发现你无法将饮料吸上来。为什么会有这样的差异呢？这也和空间站内的微重力环境有关。

先来看看我们为什么可以通过吸管来喝饮料。生活在地面上的我们无时无刻不被大气包围，地面厚厚的大气层会受到重力的作用而产生压强，这就是大气压。正常情况下，大气压的压强约等于101 千帕，大概是你用你的手指尖顶起一个1 千克重的物体感受到的压强。这时你肯定要问了，我怎么感受不到这么大的压力呀？这是因为我们身体的内部同样具有压力，体内的压力和大气给你的压力相等，你就感觉不出来大气压的存在了。

我们在使用吸管喝饮料的时候，其实就是在利用大气压。正常情况下，饮料肯定不会自己向上流动，而当我们吸吮吸管的时候，是将口腔内的气体吸入肺中，这样我们口腔内的气压就会略小于外界的大气压。吸管的另一端深入饮料内，饮料上方的大气压会把饮料压入吸管，我们就喝到饮料啦！

喝饮料的过程中，我们吮吸产生的吸力会比吸管中饮料的重力更大，所以饮料会被“拉”上来。吸管中的饮料高于杯中饮料表面的部分，就是我们吮吸的效果——吸管中的液面越高，需要我们吮吸产生的压强越大。但是我们的吸力有限，如果吸管足够长、足够高，我们就无法把饮料吸上来了。

在空间站里就不会出现这个问题。虽然空间站内部要保持和地面一样的大气压，航天员同样是通过吮吸制造气压差来喝饮料，但是因为空间站里的微重力环境，饮料失去了重力，一点点气压差就足够让它流经长长的吸管，进入航天员的口中啦！