□文/南京市玄武高級中學(xué) 張軍

在上一期的文章中，我們解讀、探討了空間站中與重力有關(guān)的現(xiàn)象和實驗，而那些與重力無關(guān)的現(xiàn)象,在空間站中和在地面上沒有差別。比如,水分子依然會發(fā)生共振，所以可以使用微波爐加熱食物；作用力和反作用力的規(guī)律依然適用，所以航天員可以抓住扶手前進(jìn)或停下來；光的折射與反射規(guī)律不變，所以透過水球依然能看到物體的像；氣壓依然存在，所以可以向水球內(nèi)吹空氣泡；植物向光性保持不變，所以芽、枝、葉仍背向種植面向光生長；化學(xué)反應(yīng)依然可以進(jìn)行，所以泡騰片在水中還會冒出氣泡……

水膜和表面張力

“天宮課堂”中，王亞平老師用金屬圈做出了一個漂亮的水膜，然后在水膜上注水，做成了一個大水球。往水球里注入空氣，又可以在水球內(nèi)部做出一個球形氣泡。氣泡不會跑出水球，也不會在水球中爆裂。

在地面上，我們也可以做出水膜。

用金屬絲彎出一個圓圈，將圓圈插入水中再取出，圓圈中間就會出現(xiàn)水膜。在水中加一些洗衣粉，或者滴一些洗手液、洗潔精，或者溶解一些肥皂，更容易做出水膜。如果觀察的角度適中，你可以透過水膜看到對面物體的像，可以看到光在水膜表面反射形成的像，還可以看到水膜上的彩色條紋（圖1）。

圖1

圖2

圖3

我們可以在金屬圈上系一根松弛的棉線，當(dāng)形成水膜時，線依然松弛（圖2）。但是，如果把棉線一側(cè)的水膜捅破，棉線立刻會被另一側(cè)的水膜拉成圓弧形（圖3）。這是為什么呢？

物質(zhì)是由大量分子構(gòu)成的，分子間存在著相互作用的引力和斥力。棉線兩側(cè)都有水膜時，兩邊的水分子對棉線的引力平衡了，所以棉線的松弛狀態(tài)不變。當(dāng)一側(cè)水膜破了，原先的平衡被打破，另一側(cè)水膜分子的引力就會把棉線拉過去。而棉線被拉成圓弧形，與液體的表面張力有關(guān)。

分子間到底表現(xiàn)為引力還是斥力，與分子間距離有關(guān)。對于特定的物質(zhì)，分子間有個適當(dāng)?shù)木嚯xr0，等于這個距離時，引力與斥力平衡，都表現(xiàn)不出來。當(dāng)分子間距離小于r0時，表現(xiàn)出斥力。我們壓縮一個固體時，肉眼并沒有看到固體有明顯的形變，但是分子之間的距離縮小了，表現(xiàn)出斥力，所以固體很難被壓縮。同樣道理，固體也很難被拉伸，因為拉伸時分子間距離增大了，表現(xiàn)出引力。

在液體內(nèi)部，每個分子都被周圍的分子包圍，因為對稱，周圍分子施加的作用力相互抵消了。液體表面與空氣形成了分界面，空氣分子對液體表面分子的吸引力，遠(yuǎn)小于液體內(nèi)部分子對表面分子的吸引力，導(dǎo)致表面層的液體分子（一般是幾個分子的厚度范圍）受到垂直于表面、指向液體內(nèi)部方向的合力。同時，由于表面液體分子間距離大，表現(xiàn)出相互的吸引力，產(chǎn)生表面張力，讓液體的表面積趨向更小。我們可以這樣形象地理解：液體表面的分子相互手拉手，使得液體表面好像蒙上了一層富有彈性的“皮膚”。

水更加特殊一些，每個水分子由一個氧原子和兩個氫原子構(gòu)成。氧原子與氫原子通過共用電子結(jié)合，但是共用電子會更接近氧原子，導(dǎo)致氧原子會略微帶負(fù)電，氫原子略微帶正電。當(dāng)兩個水分子接近時，一個水分子中的氫原子會與另一個水分子中的氧原子通過電磁力相吸引，形成氫鍵。氫鍵的存在讓一個水分子最多可以和另外4個水分子結(jié)合，并且那4個水分子恰好位于正四面體的頂點處（圖4）。

圖4

水結(jié)冰后體積增大，水的比熱容大，都與氫鍵有關(guān)。也正是因為氫鍵的存在，導(dǎo)致水的表面張力比酒精、乙酸、苯要大得多。

棉線與水膜的質(zhì)量均較小，受重力影響也小。當(dāng)棉線一側(cè)的水膜被破壞時，棉線被拉向另一側(cè)，而且呈弧形，這是因為表面張力會讓幾種不同態(tài)的物體接觸時面積趨向最小。表面張力也會讓小水滴趨于呈現(xiàn)球形——體積一定的情況下，球形的表面積最小。

正是因為水的表面張力太大，所以難以用純水吹出泡泡來。加點洗衣粉、洗潔精、肥皂水、甘油等，水的表面張力會減小，泡泡就不易破碎了。泡泡變大時，也會變薄，分子間距離變大，導(dǎo)致表面張力也會增大。如果在水里加點糖，可以讓水膜變厚，泡泡的壽命就會更長些。

表面張力讓水面富有彈性，就像“蹦床”。我們在水面放上曲別針或者硬幣，水面會把曲別針和硬幣托起來。仔細(xì)觀察，你會看到水面發(fā)生的形變（圖5）。

圖5

生活中的很多現(xiàn)象都與表面張力有關(guān)，比如水面的漣漪、蜘蛛網(wǎng)上的水珠、傘面的雨水不會從織物縫隙中漏下，等等。

肥皂、油脂會減小水的表面張力。用結(jié)實的紙剪一個船形，在船尾放一塊與水接觸的肥皂。接觸到肥皂的水面表面張力減小，造成船頭部分、船尾部分水的表面張力不等，紙船就會運動起來。寬蝽、隱翅蟲等在水面活動的昆蟲，能通過用腳尖排放油脂的方法前進(jìn)，原理與此類似。

在地球表面，重力的作用遠(yuǎn)大于表面張力。水較多時，水的表面更趨于水平，這樣減小了重力勢能，形狀更穩(wěn)定。水較少時，球形會明顯一些。草葉上的露珠、荷葉上的水珠，都趨于球形（圖6）。但是，由于重力的影響，這些球形也不標(biāo)準(zhǔn)。下落的雨點、水管滴下的水滴也會呈現(xiàn)球形，但是重力和空氣阻力的影響會讓雨點和水滴前端平一些、尾部細(xì)一些，整體像是被拉長了（圖7）。

圖6

圖7

假如飄浮在空間站的失重環(huán)境中，水滴將呈現(xiàn)出理想的球形，因為在失重環(huán)境中，分子間的引力依然存在。王亞平老師在介紹空間站里的再生水時，從水袋里擠出了一些水，這些水沒有像在地面上那樣傾瀉而下，而是自然而然地變成了球形，并因失重懸浮在空中。

紙花綻放與毛細(xì)現(xiàn)象

“天宮課堂”中，王亞平老師把一朵折紙小花貼到水膜上，紙花在水膜上竟然“綻放”了（圖8）！

液體與固體接觸時，會在接觸位置形成一層薄薄的附著層。附著層的液體分子既被固體分子吸引，也被液體分子吸引。如果固體分子的引力大，附著層中的液體分子就會因密集表現(xiàn)出斥力，導(dǎo)致附著層更容易沿固體表面鋪開，這種現(xiàn)象叫作浸潤。如果固體分子的引力小，附著層中的液體分子會因稀疏表現(xiàn)出引力，讓附著層發(fā)生收縮（與表面張力成因類似），不容易沿固體表面鋪開，這種現(xiàn)象叫作不浸潤。

圖8

把水滴到玻璃表面，水很容易鋪開，表明水對玻璃是浸潤的；把水滴到石蠟表面，水很難鋪開，表明水對石蠟是不浸潤的。也就是說，同種液體對有些固體浸潤，對有些固體不浸潤，這取決于附著層中液體分子的受力情況。比如，水銀對玻璃是不浸潤的，對鉛則是浸潤的。

把液體盛放到容器中，液體對固體的浸潤會造成液面貼著容器壁上升，形成凹形液面；液體對固體的不浸潤會造成液面貼著容器壁下降，形成凸形液面。所以，水在玻璃量筒中呈凹形液面，水銀在玻璃量筒中則呈凸形液面。

圖9

容器材質(zhì)與液體種類一定時，容器內(nèi)徑越小，浸潤液體的上升現(xiàn)象與不浸潤液體的下降現(xiàn)象就越明顯，我們稱之為毛細(xì)現(xiàn)象，能夠發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象的管狀容器就叫作毛細(xì)管（圖9）。毛細(xì)管可以是直的，也可以是彎的。毛細(xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生與表面張力及浸潤現(xiàn)象都有關(guān)系。

紙張的主要成分是纖維素，纖維素的縫隙其實就是毛細(xì)管，毛細(xì)作用讓水快速地進(jìn)入紙張纖維的縫隙中。纖維的吸水膨脹使折痕逐漸舒展，呈現(xiàn)出“花開”效果。

毛細(xì)現(xiàn)象很普遍，比如粉筆吸水、毛巾吸水、紙尿褲吸水、燈芯吸油、植物用根部吸取土壤中的水分并輸送到莖和葉等。干旱季節(jié)，將巖石震碎，毛細(xì)現(xiàn)象會讓地下水從巖石內(nèi)部的裂縫上升，引到地面來。用石碾子壓緊土壤，可以讓土壤的縫隙變成“毛細(xì)管”，地下水會被“吸”上來潤濕土壤表層；而松土則會破壞毛細(xì)現(xiàn)象，幫助植物根部“鎖水”“保水”。

有人還利用毛細(xì)現(xiàn)象設(shè)計了一款太空咖啡杯，把杯體由通常的圓柱形改成窄窄的尖角（圖10），因為重力影響不存在了，液體可以通過毛細(xì)現(xiàn)象爬升到杯口，這樣既能方便地喝到咖啡，又不會讓液體四處亂跑。

容易吸引水分子的材料叫親水材料，不容易吸引水分子的材料叫疏水材料。全棉毛巾就是很好的親水材料，它很容易把水擦干，放進(jìn)水中也會立即潮濕，這是因為它里面的纖維就是毛細(xì)管。所以，購買毛巾時，比較吸水性是區(qū)分化纖材質(zhì)還是全棉材質(zhì)的簡單方法。不過，現(xiàn)在已有多種方法可以提高化纖材料的親水性，比如激光處理、等離子體處理和電子射線聚合等。

圖10

日常生活中，從毛巾里擰出的水會在重力作用下滴落。如果重力“消失”，擠出的水則會包圍在毛巾表面，很難離開?？臻g站是微重力環(huán)境，濕毛巾是沒辦法擰干的，但可以用針筒、滴管將水“吸”走，因為大氣壓是存在的；也可以用手指彈擊，因為力可以改變物體的運動狀態(tài)；也可以將水抖落，因為慣性依然存在；還可以用紙巾將水吸走，因為毛細(xì)現(xiàn)象可以發(fā)揮作用——這些都與重力無關(guān)。本次“天宮課堂”中，航天員在將水膜上的紙花收起來時，是用紙巾包裹住紙花的，這樣可以防止水滴四散而損壞設(shè)備，也便于水的回收再利用。

防雨衣、沖鋒衣的表面材料是疏水性的，雨滴落到上面時會滑走。荷葉表面也是疏水性的，水珠可以在上面滾來滾去，但荷葉不濕。自然界很多植物的疏水性能都很強(qiáng)，如水稻葉、花生葉等。雞、鴨、鵝的羽毛，蝴蝶的翅膀，蟬翼等，疏水能力也很強(qiáng)。疏水性對這些生物的生存具有重要意義。

超疏水材料指的是疏水能力特別強(qiáng)的材料，在多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。比如，可以防止輸油管道內(nèi)壁黏附，防止天線、輸電線上積雪，減少潛艇外殼的阻力，幫助皮革制品、紡織品防水、防污，等等。

解讀浮力消失之謎

空間站內(nèi)和重力相關(guān)的現(xiàn)象就與地球上迥然不同了，比如液體的浮力就不存在了。

圖11

展示完水球，王亞平將水球染成了藍(lán)色，并向其中投入半顆泡騰片。泡騰片迅速產(chǎn)生了大量的氣泡，水球變成了氣泡球，但是，這些氣泡卻不會浮出水面（圖11）。

在地面上，浮力是如何產(chǎn)生的？我們以被按到了水面下方的乒乓球為例，來進(jìn)行簡單分析。由于水受到重力作用，而且可以流動，所以從各個方向?qū)ζ古仪虍a(chǎn)生了壓力。壓力的作用效果用壓強(qiáng)來表示，水內(nèi)部的壓強(qiáng)大小與水的密度、乒乓球在水面下的深度、當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣扔嘘P(guān)。乒乓球前后兩個方向、左右兩個方向所受的壓力均平衡了，但是上、下方向的壓力卻不能平衡，水對乒乓球向上的壓力大于對乒乓球向下的壓力，這個壓力差就是浮力。乒乓球的存在，擠占了原先水的空間，排開了一部分水。乒乓球所受的浮力大小，與被排開的水所受的重力大小相等，這就是阿基米德原理。重力的方向豎直向下，浮力的方向豎直向上，它們的方向都與水平面垂直。

但是，正如前面所分析，空間站中物體對支撐面的壓力消失了，壓力差自然也就不存在了，浮力消失。而且，空間站里也沒有上、下的概念。這時，乒乓球在水中便不會浮起來。同樣的道理，氣泡在水中也不會浮起來，和懸空放在空間站中的其他位置沒什么兩樣。

因為失重，單擺在空間站也不會往復(fù)擺動，人不能直接從杯子里喝水，膀胱也難以正確發(fā)出需不需要排空的信號。

在家里模擬水球成像

太空站中的水球成像實驗就很難在地面上重現(xiàn)。在地面上，我們做不出懸浮在空中的標(biāo)準(zhǔn)水球。但是，利用初中的光學(xué)知識，我們可以對空間站的水球成像做一個簡單分析。

光射到水球表面時，有3個去向：一部分被水吸收，一部分按光的反射規(guī)律被反射回來（水球外表面相當(dāng)于凸面鏡，反射將形成虛像），還有一部分遵循光的折射規(guī)律進(jìn)入了水球內(nèi)部。

進(jìn)入水球內(nèi)部的光線沿直線傳播，再次到達(dá)水與空氣的分界面。其中一部分遵循光的折射規(guī)律射出水球，另一部分則發(fā)生第一次反射，當(dāng)然也有少部分被水吸收。水球內(nèi)表面可以看作凹面鏡，第一次反射可以成像。由于物體位置不同，射進(jìn)水球的光線方向不同，水球內(nèi)部第一次反射的光有可能在水球內(nèi)部發(fā)生第二次、第三次乃至更多次的反射，而且這些光線還有部分會從水球中“鉆”出去。多次反射可能成像，也可能無法形成清晰的像，因為有些光線可能聚到一點，而有些光線則是聚在一個區(qū)域，而且會聚與發(fā)散會多次發(fā)生。

透過水球的光線有些聚到一個點，有些聚在一個區(qū)域，有些發(fā)射——發(fā)散光線的反向延長線同樣可以形成虛像。這樣，我們從不同角度觀察水球，可能看到清晰的像，可能看到模糊的像（初中物理中，不清晰的像不能算作像）。這些像有的正立，有的倒立，有的亮度大一些，有的亮度小一些。由于白色光是復(fù)色光，其中不同頻率的光折射情況不同，還會發(fā)生色散現(xiàn)象。我們試著從不同角度看水球，有時會看到彩色光帶。

彩虹的形成機(jī)理與此類似。陽光進(jìn)入懸浮在空氣中的小水滴內(nèi)，經(jīng)過一次反射、兩次折射形成彩虹，經(jīng)過兩次折射、兩次反射則形成霓虹。因此，彩虹和霓虹的高度不同，顏色的層遞順序也正好反過來。如果陽光在水滴內(nèi)反射的次數(shù)更多，還會出現(xiàn)第三道虹、第四道虹或者更多道虹，但是由于陽光比較強(qiáng)烈，用肉眼難以觀察到。

圖12

如果在水球中間再放置一個空氣泡，情況會更為復(fù)雜。在物體到水球的距離、人眼到水球的距離都適宜的情況下，我們可以同時看到倒立的像和正立的像。倒立的像是光經(jīng)過水折射形成的，與凸透鏡成像類似；正立的像是光經(jīng)過水、空氣、水形成的，與凹透鏡成像類似。近視眼鏡是凹透鏡，我們透過鏡片看到的是正立、縮小的虛像。防盜門上的“貓眼”，也是凹透鏡。

在地面上，我們雖然做不出懸浮的水球，但是可以設(shè)計出類似的裝置，看到類似的現(xiàn)象。

在燒杯里裝滿水，透過燒杯可以看到物體的像（圖12）。這些像有反射形成的，也有折射形成的。透過燒杯觀察畫在紙上的箭頭，當(dāng)紙離得比較近時，我們看到被橫向放大的像；當(dāng)紙片逐漸遠(yuǎn)離，我們可以看到左右倒立的箭頭的像。紙片離得越遠(yuǎn)，像越小，這與凸透鏡成像類似，但是倒立情況不同。凸透鏡成的倒立的像是上下、左右都倒立，而燒杯和水所成的倒立的像只有左右倒立。因為凸透鏡的構(gòu)造是中間厚、邊緣薄，而燒杯是中間厚、兩側(cè)薄，上、下方向并沒有變薄。

將一支空試管插入燒杯內(nèi)的水中，這樣水中間就有一個圓柱形的空氣柱了。透過燒杯里的水和空氣柱，我們就可以看到兩個不同的箭頭像（圖13）。你不妨在家里試一試，改變箭頭到燒杯的距離，看看像的大小、方向變化有何規(guī)律。沒有燒杯，用透明的玻璃杯也行。

圖13

有條件的話，你可以買一個水晶球，盡管它與水球的材質(zhì)不同，但是它們的成像規(guī)律非常類似。觀察水晶球，你可以發(fā)現(xiàn)多個像，清晰的、模糊的、正立的、倒立的都有。角度適當(dāng)?shù)脑?，你還可以觀察到彩色條紋（圖14）。這些像的成因，與上面對水球成像的分析相同。

圖14

圖15

僅憑家里的條件，無法在水晶球中制作出一個空氣泡，但是可以設(shè)計替代方案。買一個球形的魚缸，裝上水，就可以替代水球了。找一個小點的球形玻璃容器，比如白熾燈的燈泡、玻璃氣罐，插入裝水的球形魚缸內(nèi)，一個“空氣泡”就出現(xiàn)了。利用這套裝置，你可以將“天宮課堂”中的水球成像情況完美地模擬出來（圖15）。

當(dāng)然，我們還有很多的疑問，比如空間站會“翻跟頭”嗎？空間站如何避開太空垃圾？空間站里的火焰是什么形狀？等等。目前，微重力已成為專門的學(xué)科，有著廣闊的研究空間。

飛天夢永不失重，科學(xué)夢張力無限。微重力環(huán)境中還有哪些奇妙的現(xiàn)象呢？讓我們期待下一次的“天宮課堂”。記得掃碼，跟著視頻做科學(xué)。