为什么空间站上能使用毛笔?

作者: 中科院物理所

来源: 中科院高能所

发布日期: 2021-10-20 11:00:07

文章探讨了在太空失重环境下,毛笔如何利用毛细现象克服重力,实现书写功能。通过分析墨水分子间的相互作用和液体与固体表面的相互作用,解释了毛笔在太空中的使用原理。

当宇航员进入太空时,传统的钢笔、圆珠笔必须依靠重力将墨水漏入笔尖,因而无法使用。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。

要回答为什么别的水笔不能用,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,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?

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。分为两种,一部分是液体分子之间的互相作用,而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,就带来一种叫做毛细现象的神奇现象。

毛细现象实际上要求达到一种平衡:液体分子相互作用,与液体与表面相互作用的平衡。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,像玻璃一样可以被水浸润。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。

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