太空中能用鋼筆寫字嗎？

安徽省靈璧縣黃灣中學 華興恒

太空中能用鋼筆寫字嗎？

安徽省靈璧縣黃灣中學 華興恒

同學們在學習有關失重的知識時，老師常常會給大家講述這樣一個有趣的故事：美國太空總署為了解決宇航員在太空中完全失重狀態下的書寫問題，花費幾百萬美元研究專用書寫工具——太空水筆，結果以失敗而告終。因此，美國太空總署的研究人員感到很難堪，而他們也不得不出重金征求能解決這個問題的高手。一天，太空總署收到一個小朋友的來信，這封信上只有簡短的幾個字：你們試過鉛筆嗎？這個看似重大的科學難題，被一個孩童不費吹灰之力便給順利地解決了。由此可見，科學家的思維有時也會受到限制，而小朋友則不會有此問題。

那在太空中究竟能不能使用鋼筆（或圓珠筆）順利地書寫呢？很多老師是這樣解釋的：鋼筆水（或圓珠筆油）都是靠重力寫在紙上的，由于在太空中處于失重狀態，所以是不能用鋼筆（或圓珠筆）進行書寫的。但是我認為這樣的解釋是不對的。事實上，在太空中也確實不能使用鋼筆（或圓珠筆）進行正常的書寫。因此前蘇聯宇航員在太空中使用的是鉛筆。用鉛筆寫字只與石墨和紙的附著力有關，與重力無關，從而解決了這個問題。但是鉛筆芯斷裂后，在無重力的空間中飄浮，可能會飄進宇航員的鼻腔、眼睛，或引起電路短路。此外，鉛筆的筆芯和木頭在純氧環境中很容易快速燃燒，危險性極高。所以，工程師保羅·費舍爾在1965年發明了一種能在太空環境中使用的不漏油、不褪色的高品質圓珠筆，即為通常所說的太空筆。現在宇航員在太空中書寫使用的都是帶有壓力的專用太空筆。

下面我們就來探究一下在太空中使用鋼筆（或圓珠筆）不能進行正常書寫的原因到底是什么？

假如用鋼筆書寫是靠鋼筆內墨水的重力作用的話，若把鋼筆倒過來，將筆尖向上在紙上書寫，由于此時墨水受到的重力是向下的，鋼筆應該是不能順利書寫的。然而事實并非如此，此時不僅可以順利書寫，而且與筆尖向下書寫沒有什么區別。而如果用圓珠筆做類似的實驗，則效果不如鋼筆。有人曾用三支不同的圓珠筆做過此類實驗，結果是其中兩支圓珠筆沒畫幾下就不下油了，而另一支圓珠筆則是反復做了幾次，均可在16開的紙上畫上近半個篇幅的橫線。其實，圓珠筆在失重狀態下也不是完全不能使用，較好的圓珠筆也可以寫出近百個漢字，但最后也就不能寫出字來了。

太空筆的結構

要想弄清楚上述實驗原理，首先要了解毛細現象，而要了解毛細現象，還得從浸潤與不浸潤說起。如果將一小塊潔凈的玻璃片浸入水銀中后取出，大家可以看到玻璃板上不會有水銀附著在上面。這種液體不附著在固體表面上的現象叫做不浸潤。對玻璃來說，水銀是不浸潤液體。將一小塊潔凈的玻璃片浸入水中后取出，玻璃的表面就會沾上一層水。這種液體附著在固體表面上的現象叫做浸潤。對玻璃來說，水是浸潤液體。浸潤液體在細管里升高的現象和不浸潤液體在細管里降低的現象，叫做毛細現象。能夠產生毛細現象的細管，人們習慣上稱之為毛細管。

還有一個實驗很能說明毛細現象，在一裝滿水的大玻璃杯杯壁上搭上一條毛巾，毛巾的另一端放入旁邊的小玻璃杯中，大玻璃杯中的水會通過毛巾不斷地移入小玻璃杯中。這個有趣的實驗很像虹吸現象，可是毛巾中并不存在細管，因此主要還是毛細現象。

由以上知識我們知道，毛細現象可以使液體沿著與它浸潤的物體擴展。用鋼筆寫字，鋼筆下水主要依靠的是毛細作用。由于鋼筆墨水與紙之間是浸潤的，鋼筆尖壓在紙上，筆尖的中縫會增大些，在毛細作用影響下墨水便會源源不斷地沿著筆囊中的細管移動，并沿著筆尖的中縫流出粘在紙上了。這其中利用了墨水浸潤鋼、玻璃和塑料的原理。重力在此只起到次要的作用。

圓珠筆中雖然也有毛細現象，但它又與鋼筆有所不同，圓珠筆油沒有墨水的流動性強，它的粘滯性要比墨水強許多，因此毛細現象體現得并不是很明顯，而對重力的依賴會比墨水要大些；再者，由于圓珠筆的特殊結構，利用圓珠筆寫字是靠滾珠的滾動將油帶出來完成的，因此圓珠筆中的滾珠與筆尖之間是有間隙的，在滾珠滾動的過程中，難免會有一些空氣進入，從而阻斷了滾珠與圓珠筆油之間的粘連，致使不出油（粘滯性特別大的劣等圓珠筆芯常會出現這種現象），這種現象在有重力的作用下很少發生，而在失重狀態下卻很容易發生。

那是不是圓珠筆油的粘滯性越小越好呢？當然不是，如果在圓珠筆的筆芯中注入墨水，將筆尖向上寫字，更是寫不了幾個字。這也很好解釋，相信大家都見過將一枚潔凈的硬幣平放在水面上而不會下沉的現象吧。如果事先將硬幣沾上水，還能將硬幣平放在水面上而不下沉嗎？顯然不能。圓珠筆的滾珠每次都用基本潔凈的部分去粘圓珠筆油，因此即使它們是相互浸潤的關系，也會有不粘的時候，更何況重力還起著副作用呢。因此，在太空失重的情況下，圓珠筆也就遠不如鋼筆下水流暢了。

那么宇航員在進入太空時，是不是可以帶著普通的鋼筆用于書寫呢？當然不是。就算普通鋼筆能在太空中使用，但是在將宇航員送入太空的過程中，要歷經火箭升空時的加速過程，這時鋼筆筆尖如果是向下的，便會由于慣性使墨水流出來。

以上探討并沒有提到鋼筆外是否存在大氣壓，如果是在太空艙內，是有大氣壓的，并且應該是一個標準大氣壓；如果是在艙外，由于沒有大氣壓，鋼筆的筆囊中還留有少量的空氣，這部分氣體的壓力會將筆囊中的墨水壓出，或者筆囊中的空氣本身被放出，這樣沒有氣壓的筆囊中若還有墨水的話，在書寫時，它仍然會在毛細作用下，沿筆內管從筆尖源源不斷地流出。

以上結論是本人通過查閱資料和推理得到的結論，是否準確還有待實驗驗證。如果大家有人認識宇航員的話，可以去問問他們，也許他們做過相關的實驗呢！