太空科学课(十八)
——变“懒”的太空水球

2023-10-31 03:20太空熊猫君
百科探秘·航空航天 2023年10期
关键词:水球刘洋大气压

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!

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