太空科學(xué)課（十八）
——變“懶”的太空水球

文/太空熊貓君

在毛細實驗之后，神舟十四號飛行乘組的航天員們又為我們演示了水球變“懶”實驗。今天，我們就繼續(xù)跟隨他們，去看看太空中的水球為什么變“懶”了吧。

首先，劉洋為我們展示了一個太空水球裝置。這個裝置我們并不陌生，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。這一次，它是用來幫助我們理解微重力環(huán)境下的水球振動現(xiàn)象的。然后，劉洋又拿出了一個空注射器。隨著劉洋將注射器內(nèi)的空氣快速地擠壓出去，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。

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

為什么會發(fā)生這樣的現(xiàn)象呢？這和液體的振動現(xiàn)象有關(guān)。振動可以算是一種非常常見的運動了。振動是一個物體相對于靜止參照物發(fā)生的往復(fù)運動，例如當我們撥動琴弦、敲擊鼓面或者晃動一根樹枝之后，這些物體就會發(fā)生振動。理想情況下，振動會保持著固定的振動幅度和周期。不過現(xiàn)實生活中的振動往往會受到摩擦力、流體阻力或者物體自身結(jié)構(gòu)等因素的影響，振動幅度逐漸減小，最終達到靜止或者穩(wěn)定的狀態(tài)，這種消減作用叫作阻尼效應(yīng)，而這種振動就叫作阻尼振動。

你應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，當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，只要沖擊力沒有特別大，水球就又會被自身的附著力和表面張力拉扯回來，這就形成了振動。沒加金屬球的情況下，水球自身的阻尼效應(yīng)比較小，水球就會振動得很厲害。而放入金屬球之后，金屬球自身的質(zhì)量大大增加了整個系統(tǒng)的阻尼效應(yīng)，水球的振動幅度就變小啦！

在日常生活中，過大的阻尼效應(yīng)可能會影響設(shè)備的正常運行。例如音響設(shè)備的揚聲器，就是通過振動來發(fā)出聲音，如果阻尼效應(yīng)過大，不僅會影響音響的音質(zhì)，還會給揚聲器帶來損耗。

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

在做完水球變“懶”實驗后，劉洋拿出了一根2 米長的吸管，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。你有沒有試過用一根2 米長的吸管來喝飲料？如果你曾經(jīng)嘗試過或者準備嘗試，你會發(fā)現(xiàn)你無法將飲料吸上來。為什么會有這樣的差異呢？這也和空間站內(nèi)的微重力環(huán)境有關(guān)。

先來看看我們?yōu)槭裁纯梢酝ㄟ^吸管來喝飲料。生活在地面上的我們無時無刻不被大氣包圍，地面厚厚的大氣層會受到重力的作用而產(chǎn)生壓強，這就是大氣壓。正常情況下，大氣壓的壓強約等于101 千帕，大概是你用你的手指尖頂起一個1 千克重的物體感受到的壓強。這時你肯定要問了，我怎么感受不到這么大的壓力呀？這是因為我們身體的內(nèi)部同樣具有壓力，體內(nèi)的壓力和大氣給你的壓力相等，你就感覺不出來大氣壓的存在了。

我們在使用吸管喝飲料的時候，其實就是在利用大氣壓。正常情況下，飲料肯定不會自己向上流動，而當我們吸吮吸管的時候，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把飲料壓入吸管，我們就喝到飲料啦！

喝飲料的過程中，我們吮吸產(chǎn)生的吸力會比吸管中飲料的重力更大，所以飲料會被“拉”上來。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)生的壓強越大。但是我們的吸力有限，如果吸管足夠長、足夠高，我們就無法把飲料吸上來了。

在空間站里就不會出現(xiàn)這個問題。雖然空間站內(nèi)部要保持和地面一樣的大氣壓，航天員同樣是通過吮吸制造氣壓差來喝飲料，但是因為空間站里的微重力環(huán)境，飲料失去了重力，一點點氣壓差就足夠讓它流經(jīng)長長的吸管，進入航天員的口中啦！