文/太空熊貓君

在毛細(xì)實(shí)驗(yàn)之后，神舟十四號(hào)飛行乘組的航天員們又為我們演示了水球變“懶”實(shí)驗(yàn)。今天，我們就繼續(xù)跟隨他們，去看看太空中的水球?yàn)槭裁醋儭皯小绷税伞?/p>

首先，劉洋為我們展示了一個(gè)太空水球裝置。這個(gè)裝置我們并不陌生，在之前的太空授課中，這種固定水球的金屬環(huán)都出現(xiàn)過(guò)。這一次，它是用來(lái)幫助我們理解微重力環(huán)境下的水球振動(dòng)現(xiàn)象的。然后，劉洋又拿出了一個(gè)空注射器。隨著劉洋將注射器內(nèi)的空氣快速地?cái)D壓出去，一股看不到的氣流沖向了水球，水球隨之發(fā)生了劇烈晃動(dòng)。

如果說(shuō)水球象征著航天器內(nèi)部的液體燃料，快速?zèng)_擊它的空氣就是航天器飛行過(guò)程中受到的外力作用?？梢?jiàn)若干液體燃料在航天器內(nèi)發(fā)生如此劇烈的晃動(dòng)，會(huì)給航天器的飛行安全和姿態(tài)控制帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。那么，我們應(yīng)該如何減小這種振動(dòng)呢？劉洋給出了一個(gè)答案：在水球內(nèi)部增加一個(gè)空心鋼球。這一次，劉洋采用同樣的力度、同樣的方向推動(dòng)注射器，注射器內(nèi)的氣流沖向水球，卻沒(méi)有再讓水球產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，水球變“懶”了！

為什么會(huì)發(fā)生這樣的現(xiàn)象呢？這和液體的振動(dòng)現(xiàn)象有關(guān)。振動(dòng)可以算是一種非常常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)了。振動(dòng)是一個(gè)物體相對(duì)于靜止參照物發(fā)生的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，例如當(dāng)我們撥動(dòng)琴弦、敲擊鼓面或者晃動(dòng)一根樹枝之后，這些物體就會(huì)發(fā)生振動(dòng)。理想情況下，振動(dòng)會(huì)保持著固定的振動(dòng)幅度和周期。不過(guò)現(xiàn)實(shí)生活中的振動(dòng)往往會(huì)受到摩擦力、流體阻力或者物體自身結(jié)構(gòu)等因素的影響，振動(dòng)幅度逐漸減小，最終達(dá)到靜止或者穩(wěn)定的狀態(tài)，這種消減作用叫作阻尼效應(yīng)，而這種振動(dòng)就叫作阻尼振動(dòng)。

你應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，當(dāng)航天員用注射器向水球擠壓空氣之后，水球受到空氣的沖擊向另一側(cè)偏移，只要沖擊力沒(méi)有特別大，水球就又會(huì)被自身的附著力和表面張力拉扯回來(lái)，這就形成了振動(dòng)。沒(méi)加金屬球的情況下，水球自身的阻尼效應(yīng)比較小，水球就會(huì)振動(dòng)得很厲害。而放入金屬球之后，金屬球自身的質(zhì)量大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的阻尼效應(yīng)，水球的振動(dòng)幅度就變小啦！

在日常生活中，過(guò)大的阻尼效應(yīng)可能會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行。例如音響設(shè)備的揚(yáng)聲器，就是通過(guò)振動(dòng)來(lái)發(fā)出聲音，如果阻尼效應(yīng)過(guò)大，不僅會(huì)影響音響的音質(zhì)，還會(huì)給揚(yáng)聲器帶來(lái)?yè)p耗。

通過(guò)合理利用阻尼效應(yīng)，科學(xué)家和工程師也可以改善我們的生活。例如很多大型機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候往往會(huì)發(fā)出噪聲，這對(duì)設(shè)備的壽命和周圍人的健康都有很大的危害。材料科學(xué)家就可以通過(guò)在設(shè)備上涂刷阻尼材料，減小設(shè)備的振動(dòng)幅度，進(jìn)而降低噪聲。在建筑工程中，建筑師還會(huì)通過(guò)阻尼器來(lái)減小建筑物在地震時(shí)的振動(dòng)幅度，提高建筑物的抗震能力。

在做完水球變“懶”實(shí)驗(yàn)后，劉洋拿出了一根2 米長(zhǎng)的吸管，吸管的另一頭放入芒果汁中，她輕輕一吸，芒果汁就順著吸管流入她的口中。你有沒(méi)有試過(guò)用一根2 米長(zhǎng)的吸管來(lái)喝飲料？如果你曾經(jīng)嘗試過(guò)或者準(zhǔn)備嘗試，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你無(wú)法將飲料吸上來(lái)。為什么會(huì)有這樣的差異呢？這也和空間站內(nèi)的微重力環(huán)境有關(guān)。

先來(lái)看看我們?yōu)槭裁纯梢酝ㄟ^(guò)吸管來(lái)喝飲料。生活在地面上的我們無(wú)時(shí)無(wú)刻不被大氣包圍，地面厚厚的大氣層會(huì)受到重力的作用而產(chǎn)生壓強(qiáng)，這就是大氣壓。正常情況下，大氣壓的壓強(qiáng)約等于101 千帕，大概是你用你的手指尖頂起一個(gè)1 千克重的物體感受到的壓強(qiáng)。這時(shí)你肯定要問(wèn)了，我怎么感受不到這么大的壓力呀？這是因?yàn)槲覀兩眢w的內(nèi)部同樣具有壓力，體內(nèi)的壓力和大氣給你的壓力相等，你就感覺(jué)不出來(lái)大氣壓的存在了。

我們?cè)谑褂梦芎蕊嬃系臅r(shí)候，其實(shí)就是在利用大氣壓。正常情況下，飲料肯定不會(huì)自己向上流動(dòng)，而當(dāng)我們吸吮吸管的時(shí)候，是將口腔內(nèi)的氣體吸入肺中，這樣我們口腔內(nèi)的氣壓就會(huì)略小于外界的大氣壓。吸管的另一端深入飲料內(nèi)，飲料上方的大氣壓會(huì)把飲料壓入吸管，我們就喝到飲料啦！

喝飲料的過(guò)程中，我們吮吸產(chǎn)生的吸力會(huì)比吸管中飲料的重力更大，所以飲料會(huì)被“拉”上來(lái)。吸管中的飲料高于杯中飲料表面的部分，就是我們吮吸的效果——吸管中的液面越高，需要我們吮吸產(chǎn)生的壓強(qiáng)越大。但是我們的吸力有限，如果吸管足夠長(zhǎng)、足夠高，我們就無(wú)法把飲料吸上來(lái)了。

在空間站里就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。雖然空間站內(nèi)部要保持和地面一樣的大氣壓，航天員同樣是通過(guò)吮吸制造氣壓差來(lái)喝飲料，但是因?yàn)榭臻g站里的微重力環(huán)境，飲料失去了重力，一點(diǎn)點(diǎn)氣壓差就足夠讓它流經(jīng)長(zhǎng)長(zhǎng)的吸管，進(jìn)入航天員的口中啦！