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为什么空间站上能使用毛笔

①当宇航员进入太空时,因为传统的钢笔、圆珠笔必须依靠重力将墨水漏入笔尖,所以无法使用;铅笔虽然可以正常书写,但微小的导体石墨粉可能带来灾难性的后果;现代的太空笔则依靠气压将墨水压出。在神舟十三号的飞行任务中,翟志刚携带中国传统“文房四宝“进入空间站,将中华儿女骨子里的剑胆琴心展现得淋漓尽致。

②为什么毛笔这诞生于先秦的古老文具,能在21世纪的星海探险中发挥作用?

③要回答这个问题,我们要首先思考一番,毛笔是怎么书写的?答案看起来很简单:毛笔上面吸收了墨水,在笔尖与纸张接触的时候,墨水就从笔尖转移到了纸上。但是,如果深入思考,为什么只有当毛笔接触到纸张时,墨水才发生转移,其他时候呢?

④实际上,墨水自动发生转移也是常有的事情。初学者有时候会一口气蘸上太多的墨水,墨水就会从笔尖上滴下来。拿毛笔蘸墨时有特殊的技巧:只需把笔尖的一部分浸入墨中,这样可以保证只吸入适量的墨水,墨水就不会从笔尖滴落。所以,一支毛笔能留住的墨水,有一个上限。

⑤透过现象看本质,既然毛笔可以留住墨水,那么一定有一个机制来克服重力,这个机制会是什么呢?我们不妨看一看墨水分子受到哪些力。由于毛笔笔尖是一个开放的区域,各处的大气压是平衡的,于是只需要考虑重力与分子之间的相互作用。这分为两种,一部分是液体分子之间的互相作用;另一部分是液体与容器壁分子之间的相互作用,使液体黏附或者疏离。两种相互作用都有摩擦力,微观上体现为电磁相互作用,如果在宏观上结合起来,就带来一种叫作毛细现象的神奇现象。

⑥毛细现象,是指将一根毛细管浸入液体中,相比管外液面,管内液面会自发向上或向下发生移动。毛细现象第一眼看上去很违反直觉。人们常说,“水往低处流”,为什么水可以自发往高处移动?能量守恒定理告诉我们,能量不会凭空产生或消失,液柱上升的过程伴随重力势能的增大,因此一定能找到另一种能量,在这个过程中是降低的。没错,这种能量来自液体的表面张力。

⑦在液体表面与内部,液体分子之间形成的相互作用很不相同。表面的液体分子互相连接更少,相互作用更弱,于是两侧受力不均。在这种受力不均的情况下,内部受力较大,将自发向外部“突出”,于是在不受重力的情况下,一团液体将呈现球形。在这种情况下,表面张力将使液体分界面变弯,使之达到能量最低的稳定状态。

⑧问题的解答就是这样。毛细现象实际上要求达到一种平衡:液体分子相互作用,与液体与面相互作用的平衡。在达到这个平衡的过程中,液体表面会发生变形。毛笔的材料——兽毛,也就是蛋白质,可以被水浸润。由于分子间相互作用不受重力影响,毛细现象在空间站里面自然也可以发生,于是毛笔在失重条件下,也可以一如既往地吸入墨水,并正常书写了。

⑨当我们放眼星空及大海时,前人那些充满创意的智慧也在凝视着我们。

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