“天宮課堂”，余音回響（下）

□文/南京市玄武高級中學 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的現象和實驗，而那些與重力無關的現象,在空間站中和在地面上沒有差別。比如,水分子依然會發生共振，所以可以使用微波爐加熱食物；作用力和反作用力的規律依然適用，所以航天員可以抓住扶手前進或停下來；光的折射與反射規律不變，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；化學反應依然可以進行，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，當形成水膜時，線依然松弛（圖2）。但是，如果把棉線一側的水膜捅破，棉線立刻會被另一側的水膜拉成圓弧形（圖3）。這是為什么呢？

物質是由大量分子構成的，分子間存在著相互作用的引力和斥力。棉線兩側都有水膜時，兩邊的水分子對棉線的引力平衡了，所以棉線的松弛狀態不變。當一側水膜破了，原先的平衡被打破，另一側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。

分子間到底表現為引力還是斥力，與分子間距離有關。對于特定的物質，分子間有個適當的距離r0，等于這個距離時，引力與斥力平衡，都表現不出來。當分子間距離小于r0時，表現出斥力。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，表現出引力。

在液體內部，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，遠小于液體內部分子對表面分子的吸引力，導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、指向液體內部方向的合力。同時，由于表面液體分子間距離大，表現出相互的吸引力，產生表面張力，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成。氧原子與氫原子通過共用電子結合，但是共用電子會更接近氧原子，導致氧原子會略微帶負電，氫原子略微帶正電。當兩個水分子接近時，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

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

棉線與水膜的質量均較小，受重力影響也小。當棉線一側的水膜被破壞時，棉線被拉向另一側，而且呈弧形，這是因為表面張力會讓幾種不同態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。仔細觀察，你會看到水面發生的形變（圖5）。

圖5

生活中的很多現象都與表面張力有關，比如水面的漣漪、蜘蛛網上的水珠、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，原理與此類似。

在地球表面，重力的作用遠大于表面張力。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，這些球形也不標準。下落的雨點、水管滴下的水滴也會呈現球形，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境中，水滴將呈現出理想的球形，因為在失重環境中，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。

紙花綻放與毛細現象

“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出斥力，導致附著層更容易沿固體表面鋪開，這種現象叫作浸潤。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出引力，讓附著層發生收縮（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

容器材質與液體種類一定時，容器內徑越小，浸潤液體的上升現象與不浸潤液體的下降現象就越明顯，我們稱之為毛細現象，能夠發生毛細現象的管狀容器就叫作毛細管（圖9）。毛細管可以是直的，也可以是彎的。毛細現象的產生與表面張力及浸潤現象都有關系。

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

毛細現象很普遍，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，將巖石震碎，毛細現象會讓地下水從巖石內部的裂縫上升，引到地面來。用石碾子壓緊土壤，可以讓土壤的縫隙變成“毛細管”，地下水會被“吸”上來潤濕土壤表層；而松土則會破壞毛細現象，幫助植物根部“鎖水”“保水”。

有人還利用毛細現象設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，液體可以通過毛細現象爬升到杯口，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，放進水中也會立即潮濕，這是因為它里面的纖維就是毛細管。所以，購買毛巾時，比較吸水性是區分化纖材質還是全棉材質的簡單方法。不過，現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。空間站是微重力環境，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；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，因為毛細現象可以發揮作用——這些都與重力無關。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，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。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的材料，在多個領域應用廣泛。比如，可以防止輸油管道內壁黏附，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

空間站內和重力相關的現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色，并向其中投入半顆泡騰片。泡騰片迅速產生了大量的氣泡，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，浮力是如何產生的？我們以被按到了水面下方的乒乓球為例，來進行簡單分析。由于水受到重力作用，而且可以流動，所以從各個方向對乒乓球產生了壓力。壓力的作用效果用壓強來表示，水內部的壓強大小與水的密度、乒乓球在水面下的深度、當地的重力加速度有關。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擺動，人不能直接從杯子里喝水，膀胱也難以正確發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。在地面上，我們做不出懸浮在空中的標準水球。但是，利用初中的光學知識，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律被反射回來（水球外表面相當于凸面鏡，反射將形成虛像），還有一部分遵循光的折射規律進入了水球內部。

進入水球內部的光線沿直線傳播，再次到達水與空氣的分界面。其中一部分遵循光的折射規律射出水球，另一部分則發生第一次反射，當然也有少部分被水吸收。水球內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，射進水球的光線方向不同，水球內部第一次反射的光有可能在水球內部發生第二次、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域，而且會聚與發散會多次發生。

透過水球的光線有些聚到一個點，有些聚在一個區域，有些發射——發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。由于白色光是復色光，其中不同頻率的光折射情況不同，還會發生色散現象。我們試著從不同角度看水球，有時會看到彩色光帶。

彩虹的形成機理與此類似。陽光進入懸浮在空氣中的小水滴內，經過一次反射、兩次折射形成彩虹，經過兩次折射、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。如果陽光在水滴內反射的次數更多，還會出現第三道虹、第四道虹或者更多道虹，但是由于陽光比較強烈，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。倒立的像是光經過水折射形成的，與凸透鏡成像類似；正立的像是光經過水、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，但是可以設計出類似的裝置，看到類似的現象。

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，當紙離得比較近時，我們看到被橫向放大的像；當紙片逐漸遠離，我們可以看到左右倒立的箭頭的像。紙片離得越遠，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。因為凸透鏡的構造是中間厚、邊緣薄，而燒杯是中間厚、兩側薄，上、下方向并沒有變薄。

將一支空試管插入燒杯內的水中，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不同，但是它們的成像規律非常類似。觀察水晶球，你可以發現多個像，清晰的、模糊的、正立的、倒立的都有。角度適當的話，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，一個“空氣泡”就出現了。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科，有著廣闊的研究空間。

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