为什么空间站上能使用毛笔,为什么空间站上要使用毛笔

1.失重与书写

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。

图1 神舟十二号航天员刘伯明在【开学第一课】中挥毫写下“理想”二字

且慢，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？

要回答这个问题，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？

图2 舔笔，如果蘸墨太多，就可以用砚台边缘把多余的墨水刮掉

实际上，墨水自动发生转移也是常有的事情。初学者有时候会一口气蘸上太多的墨水，墨水就会从笔尖上滴下来。毛笔蘸墨时会有特殊的技巧：只需把笔尖的一部分浸入墨中，这样可以保证只吸入适量的墨水，墨水就不会从笔尖滴落。所以，一支毛笔能留住的墨水，有一个上限。

2.一股神奇的力

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。

毛细现象是指，将一根毛细管浸入液体中，相比管外液面，管内液面会自发向上或向下发生移动。对于生活中常见的液体，例如水和酒精，它们在细管中均会上升。在化学实验配置溶液时，使用量筒读数时，视线应与凹液面最低处或者凸液面最高处平行。对于凹液面，由于水能浸润玻璃，因此会被吸附在容器边缘，再由于表面张力而沿着器壁自发移动，体现为上升，从而体现为边缘高，中心矮。

图3 不同液体中的玻璃毛细管

量筒中的水银则反之：由于水银不能浸润玻璃，从而有强烈的趋势“逃离”容器壁，表现为下降。当粗大的量筒不断变细，细到液面发生变化的尺度，已经与管的直径相当，此时细管内的液体将整体发生移动。管越细，液面上升或下降就越显著，因此得名为毛细效应。

3.毛细现象的背后

毛细现象第一眼看上去很违反直觉。人们常说，“水往低处流”，为什么水可以自发往高处移动？能量守恒定理告诉我们，能量不会凭空产生或消失，液柱上升的过程伴随重力势能的增大，因此一定能找到另一种能量，在这个过程中是降低的。没错，这种能量来自液体的表面张力。

首先考虑液体-气体（或者真空）的交界面。在界面两侧，液体分子的组合形式有很大的差异。

图4 液体与界面处的分子有不同的相互作用大小

在液体表面与内部，液体分子之间形成的相互作用很不相同。表面的液体分子互相连接更少，相互作用更弱，于是两侧受力不均。在这种受力不均的情况下，内部受力较大，将自发向外部“突出”，于是在不受重力的情况下，一团液体将呈现球形。在这种情况下，表面张力将使液体分界面变弯，使之达到能量最低的稳定状态。

而在液-固交界面，除了液体分子相互作用的作用力，液体分子与固体分子（原子）的相互作用也变得不可忽视。分子之间的相互作用，通常可以用莱纳德-琼斯势表示：

图5 分子间相互作用与距离的关系

对于液体与固体分子之间的典型距离，二者之间存在互相吸引的相互作用。如果液面与固体的吸引力超过液体分子之间的吸引力，我们就认为，固体表面可以吸附住液滴，叫做浸润。例如水能浸润玻璃，但不能浸润蜡烛。但如果液体分子之间的相互作用更强，例如水银原子之间的相互作用强于水银与玻璃分子之间的相互作用，液体就不能浸润固体。

图6 液滴在固体表面的形式，化学实验中，烧杯要洗到呈现水膜（a），不能聚成水滴或成股流下(b、c)，就利用了浸润原理

综合液体分子之前的相互作用，以及液体分子与外部固体分子的相互作用，我们就得到了表面张力，并依据这两种相互作用的大小，将液体-固体分为浸润与否两类。

问题的解答就是这样。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。

4. 毛细现象的利用

从毛细现象的描述，我们可以直接得到两个推论：

1. 由于阻力的存在，毛细现象并不能用来持续做功，一切“永动机”都是不可能实现的。

2. 如果没有摩擦力，那么毛细管将不断把液体吸到高处，直到充满整根管子或者从顶部喷出。

2正是著名的“超流”现象。超流是一类宏观的量子现象，其原理较为复杂，本文不再详细描述。从直观上讲，超流体的特征是流动时不受到阻力，它和正常流体之间在微观结构上存在巨大的差异，像液态-气态那样，分属于不同的物态。特定温度下的液氦就属于这样的超流体，它们可以从毛细管中喷出，形成喷泉。

图7 超流液氦喷泉

液氦喷泉仍然满足能量守恒：当液氦从毛细管中喷出后，容器里的液氦温度会上升，这个现象被称为“机械热效应”。当超流液氦被加热到特定温度，也就是大约零下271℃（准确来说，大约是2.18K）时，超流液氦变成普通液氦，喷泉停止工作。整个过程相当于原来的化学能（本质上是电磁相互作用的势能）变成了重力势能与动能，而后再变为化学能。

另外非浸润也有强大的利用价值，例如水银与玻璃。将水银倒入量筒中，它的液面向上凸起，表明水银会自发沿着玻璃壁下降。因为这个性质，在玻璃毛细管中，水银会下降，而不是像水那样上升。这个性质被人们利用在体温计制作中：体温计的玻璃液泡与测量管之间有一条很狭窄的细管。

图8 体温计液泡与测量段之间的细管，水银柱在这里很容易被拉断

当测量温度结束后，体温计被拿到空气中，液泡温度迅速下降，导致水银收缩。由于毛细现象，弯管处细液柱被折断，使进入测量管的水银无法回到液泡，于是体温计一旦离开人体，示数就不再发生变化了。

对于那些极端憎水的材料，液体与容器壁之间吸引力很小，液滴就可以在表面自由滚动。荷叶表面充满纳米尺度的凸起，这些凸起导致水无法浸润荷叶，让水滴不会停留在这种水生植物的叶子上。

图9 疏水的植物叶片

5. 总结

当我们放眼星辰大海时，前人那些充满创意的智慧也在看着我们。期待三位宇航员能平安愉快地度过太空中的半年，并创作出与地面上一样精美的书法作品。

图片来源

图4 分子排列

https://www.biolinscientific.com/measurements/surface-tension

图5 势能曲线

Lavocat, Jean-Christophe. (2014). Active photonic devices based on liquid crystal elastomers. 10.13140/RG.2.1.1053.4644.

图6 液滴

Nag, Angshuman & Panda, Biswa & Chattopadhyay, Arun. (2005). Performing chemical reactions in virtual capillary of surface tension-confined microfluidic devices. Pramana. 65. 621-630. 10.1007/BF03010450.

图7 超流喷泉

http://www.zmescience.com/other/feature-post/10-quick-scientific-facts-will-blow-mind/

图8 体温计的细管 http://www.zjtansuo.com/kexue/article/detail/courseId/c05b011/id/577f4dc1a179de1d/type/article

来源：中科院高能所

编辑：just_iu、yrLewis

空间站上没有重力，不能使用钢笔和圆珠笔写字，为什么能用毛笔？

10月16日凌晨0点23分，神舟十三号载人飞船成功发射，将翟志刚、王亚平和叶光富3名航天员送入太空，经过6个小时的飞行，神舟十三号飞船与我国的天宫空间站顺利完成交会对接，3名航天员从此开启了长达6个月的空间站驻留任务。
在以美国为主导的国际空间站行将“退役”之时，我国的空间站建设正在向着全面建造的目标稳步推进，明年我国将会再发射“问天”和“梦天”两个实验舱，与之前的天和核心舱、天舟货运飞船以及载人飞船共同组成天宫空间站的主体，从而全面完成建造任务并且向全世界开放运营。另外， 天宫空间站建成后，还要发射一个空间巡天望远镜，与空间站“比翼双飞”，这个望远镜的口径约为两米，分辨率与哈勃望远镜一样，不过视场角要比哈勃望远镜大 300 多倍，还能够在轨升级。
此次神舟十三号载人飞行的主要任务，包括机械臂辅助舱段转位、手控遥操作、出舱太空行走、安装大小机械臂双臂组合转接件及悬挂装置、开展相应的航天医学、微重力物理领域等科学技术试验等，并全面考核空间站各工程、各系统在执行任务时的综合性能，从而为明年全面开展空间站建造任务奠定坚实的基础。
6个月的空间站驻守工作，对于宇航员的身体和心理将产生双重的挑战。为了更好地进行身体和生理等方面的调节，尽可能高效地缓解压抑、紧张的情绪，我国3名航天员都携带了必要的“消遣”用品，其中最令人感兴趣的，莫过于翟志刚将我国的“文房四宝”带上空间站。想想我国的航天员在空间站内挥毫的场面，着实让我们激动不已，我国的传统文化没想到有一天，会以这样一种方式呈现在世人面前。
但是，细心的朋友估计心里会有一个疑问，那就是太空既然是一个微重力的环境，像依赖于重力自流作用才能使用的钢笔和普通圆珠笔，在太空中根本写不出字来，如果要书写，必须使用能够依靠气体的压力将墨水压出的特制太空圆珠笔，为什么用毛笔就能写出字来呢？

关键就在于一个神奇的物理现象－毛细现象。大家在日常生活中估计都遇到过这种现象，如果将一些较细的管子浸入装有水或者酒精的容器中，立即就会出现管内液面上升的现象，使得管内的液面高度要高出容器中原有液体的水平。如果用水银作为容器内的液体，那么细管内的液面高度，将会低于容器中的液面。在物理学上，将这种细管内的液面自动向上或者向下移动的现象，定义为毛细现象。
之所以会发生看似“突破重力”的毛细现象，究其原因，就在于液体表面分子的受力不平衡情况。作为液体来说，当与空气相接触时，其表面分子之间相互之间力的作用，与内部相比会逐渐变弱，越接近表层气液交界面，那么分子之间的结合力就越小，在“内大外小”的作用下，使得液面向着突起为球形的方向发展。之所以树叶小草上面早晨能够看到球形的小水滴，就是这种水滴表面分子内外受力不均匀的体现，科学家形象地称之为“表面张力”。
对于液体与固体容器相接触时，如果固体分子与液体分子之间的吸引力，超过了维持液体分子平衡的相互作用力，那么固体则会吸住液体，相当于固体被液体“浸润”了，就像水和玻璃一样。而假如没有超过液体内部分子间的作用力，那么这个固体就不能被液体浸润，就像水和石蜡一样。
而毛细现象，就是液体分子之间、液体与空气之间、液体与固体容器之间受力平衡的一个结果，在受力平衡的过程中，液体的表面形态就会发生相应的改变，即使是在无重力的环境中，这种由表面张力所引发的毛细现象，就会“推动”液体分子发生变形以及位置的转移。在空间站中，虽然没有重力，但是在毛细现象的作用下，墨汁与可以被浸润的毛笔材料发生相互作用力的平衡，于是墨汁便被吸入了毛笔材料中。
所以，在毛笔书写的过程中，熟练的人只需将毛笔尖放入到墨汁中，过一会毛笔便会“吸饱”，在毛细作用下，这些被吸入的墨汁便牢牢地被“困”在毛笔内部，不至于在书写时随处乱溅。当毛笔尖与纸张相接触后，留在毛笔表面的墨汁，同样在毛细作用下，被吸附到纸张之上，根本不需要重力的作用。
而钢笔、普通圆珠笔中的墨水，只停留在笔尖处，这些微量的墨水沾到纸张上之后，表面张力的作用，不足以使留在笔内部的墨水发生位置的移动，因此便再也写不出字来。

其实现实世界中的很多现象，都可以用分子间的相互作用力来进行解释，除了刚才提到的毛细现象外，虹吸现象实质上也是分子间相互作用力平衡的结果，只不过我们更多的是用大气压强来解释罢了。
祝愿我国的3名宇航员在天宫空间站上一切顺利，圆满完成任务，为我们踏上 探索 星辰大海的新征程作出更大贡献。

宇航员在绕地球运转的太空空间站中写字,他应该选择下列哪种笔 ？为什么？ A钢笔 B圆珠笔 C铅笔 D毛笔

因钢笔、圆珠笔、毛笔之所以能持续书写，是与重力有关，
一旦失去重力将不能书写，而铅笔的书写则与重力无关，所
以选C。