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空间站餐厅中的流体物理学实验

发布日期:2004年06月15日字体: 【大】【中】【小】

在太空的微重力环境下,牛顿的地心引力学说不再是真理了,很多地球上认为正确的物理学现象在太空都不存在了,而且出现了令人难以预料的变化。可以做这样一个实验:在地球上,当你在家里的厨房中,将煮热的蜂蜜倒入盛着水的容器中时,你可以看到蜂蜜在水中慢慢下沉,扭转成弯曲球杆状、细丝状、烟雾状,但是只是持续几秒钟,很快就沉到杯底了。这是由于水和蜂蜜的重量不同,在重力作用下,蜂蜜很快沉到容器的下部。但在空间站上,地球的引力作用几乎完全消失,水和蜂蜜的重量基本相同,那会出现什么现象呢?如果这时你再将煮热的蜂蜜倒到水中,可以看到蜂蜜不再向下沉,而是悬浮在水中,悬浮的时间可达几小时以上。流入水中的蜂蜜丝带,像一个变形虫一样,在那里扭曲、翻转很长的时间,然后慢慢变成谁也想象不到的形状。这是由于液体的结构不同,或两种液体之间存在细微的温度差异,产生了一种可以使液体产生流动的力,在地球上,由于物体的浮力,这种力的作用被掩盖了,但在太空中却突显出它的作用。

  约翰·珀奇曼是一位专门从事失重状态试验研究的专家。他不可能自己亲自去国际空间站调查这些问题,为此他给航天员设计了一个可以自己完成的实验:“MFMG是一个非常简单的实验,”他说。“实验材料是两个注射管,一个喝水用的麦杆,蜂蜜和水。所有东西都放在国际空间站上。”他们在国际空间站的餐厅中安排了一项蜂蜜实验,方法是:用两只注射器,一只中装满蜂蜜或蜂蜜溶液,另一只装满纯净水。用一个麦杆将两个注射器连起来。当所有这些准备好以后,一名航天员将一滴蜂蜜挤到水中,或将水挤入蜂蜜中,拍下会发生哪些变化。然后带回地球让科学家们去分析。下图是2003年3月在国际空间站上进行的实验,从图中可见放在针管中的蜂蜜被挤入水中。


  虽然这是一个十分简单的实验,但是却解决了流体力学中一个理论上的难题。珀奇曼说:“我们已经发现一些新的现象,在流体物理学理论中有一个称作为‘平方梯度’的常数(K值),它与两种不同液体间(例如蜂蜜和水)分子之间的力成比例。此参数对于预测低重力的情况下两种液体混合在一起将会发生哪些变化是很重要的,在地球上我们无法测量一组混合液中的K值,它可能是任何数值!但仅仅通过太空餐厅中的蜂蜜与水混合的录象,我们就得出K值上限不超过10-8牛顿的结论。”

  他是通过下列方法得出这个结论的:如果K远远大于10-8牛顿,蜂蜜注入水中会很快变成球状物。但实际情况并不是这样的。水滴从呈细长状的管口挤出时,没有发生变化。“值得骄傲的是我们只用了在空间站可以找到的小东西就完成了这个试验。”珀奇曼说。

  用其它液体进行实验可能更好些,这类液体的内部结构比蜂蜜更简单,更适合进行液体物理常数的测定。珀奇曼对可能用于太空制造业的的单体和聚合体更感兴趣。

  在太空中,地球引力的作用减弱,将会出现很多奇异的现象。

  在太空中饮茶会与地球上有什么不同呢?航天员佩蒂给我们放了2003年他在国际空间站上自拍的喝茶录象。他不是从杯子里喝茶,而是用筷子去挑半空中葡萄大小的水珠。

佩蒂在国际空间站上用筷子去抓一滴漂浮的茶滴


  了解单一的或混合物液体在太空中是如何运动的对于太空飞行来讲至关重要,特别是对又开始实施载人登月和火星计划的美国来说。

  “我们将会在太空中生产产品,”珀奇曼解释说,“那就意味着要解决液体问题。”他以塑料为例,塑料是太空中应用很广泛的材料,日常生活、辐射屏蔽和月球车的制造都用到它。塑料通常是将不同的液体或液体和粉末混合,然后将混合物加热而制成的。混合物对于某种太空医学研究也是必要的——特别是在几乎毫无地球吸引力的情况下进行蛋白质晶体的培养。当两种液体混合在一起的时候,是否有水流的流动?液体是否会均匀的溶解呢?它们能否分解成水滴?这些结果实际上会大大超出意料之外。在太空中需要进行这方面的实验,以保证未来太空生产的顺利进行。(唐承革、沈羡云编译 文中图片来自NASA网)




本文编辑:李迁

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