分享

太空微重力条件下吹泡泡的趣事

2012-10-16  昵称10856558   |  转藏
   
    太空微重力条件下吹泡泡的趣事

    何郁

    图1


        在国际空间站上,美国宇航员堂·佩蒂特(Don Pettit)在太空微重力条件下做过一系列实验,其中的吹泡泡实验十分有趣。在现在的孩子们看来,吹泡泡已经是一个过时的游戏,但对于美国宇航局的宇航员来说,这种看似不起眼儿的游戏却是一项科学实验。佩蒂特(参见图1)曾在空间站上做了几项和泡泡有关的实验,而且他将所拍摄的视频上传到YouTube,他在视频中说:“现在,让我来给你们展示一些让人兴奋的事情。”是的,采用这种方式,佩蒂特让全世界的孩子和公众能共享这项科学实验的成果。
        也许不少人会问:干嘛要到太空里去做实验呢?这不是费时又费力的吗?大家应当都知道,在地球上的任何一个物体都会受到地球的引力,我们称它为该物体的重量。物体的重量W和它的质量M有关,二者的关系为W=Mg,这里g为重力加速度。按照定义,重力加速度g是指地面附近物体受地球引力作用在真空中下落的加速度,其近似标准值通常取为9.8米/秒2。当然,更一般而言,物体在行星和其它天体表面都会受到引力的作用,一般称之为重力。前面所说的重量,是特指物体在地球表面所受的重力。牛顿就是追索地面上物体受重力作用的原因而发现了万有引力的。他还给出万有引力定律:两个物体相互吸引的作用力正比于它们的质量的乘积、反比于它们之间距离的平方。因此,当物体远离地球表面时,其重力水平便随着物体与地心距离的平方而减小。我们可以把物体在空间某处承受重力的当地值与地面值之比定义为该处的“重力水平”,科学家把重力水平达到10-6的空间环境叫做“微重力”环境。这就是说,物体在这个微重力环境里的重量只有它在地面上重量的百万分之一。对于空间站这类人造天体,那里的重力水平一般在10-3到10-6之间。图2是国际空间站的图片,它在距地球397公里的轨道上长期运行,由于空间站内部空间大并搭乘有若干位宇航员,可以从事必须有人照料的科学实验。公众媒体常常采用“无重力”或“零重力”的词语来描述空间站的力学环境,其实这是不准确的,严格的说法是:这里的重力影响变得十分小,使得许多在地面上被重力效应掩盖的次级过程(例如,和吹泡泡有密切关系的表面张力效应等等)得以凸显。我们上面所提到的泡泡实验里就呈现了不少有意义的新现象。


图2

        让我们来具体介绍一下佩蒂特所做的一个吹泡泡实验吧。图3和图4显示的是宇航员在向一个大水球内注射气体的过程。最终,我们可以看到,形成了一个相当厚的水球壳(图5),这种厚壳水泡的状态可以维持很长时间。这种情况只有在空间站的“微重力”条件下才能实现的。然后,他继续用注射器的针头,小心翼翼地穿过厚水壳并将一串儿水滴注入中间的气泡里(图6)。下面发生的事情就更有趣了:这些小水滴在气泡内不停地运动、相互碰撞、逐渐合并,最后变成一个大水滴,沿着厚水壳的内表面做圆周运动。。。本文的附件里有记录佩蒂特泡泡实验的视频,大家可以通过观看来了解各种力学现象的具体细节。佩蒂特在视频中还提出了一个问题:水滴为什么会沿着内表面做旋转运动?你能回答吗?


    图3


    图4


    图5


    图6

        为了展示泡泡、水滴的形态变化和运动情况,佩蒂特要利用光线甚至激光来显示泡泡及其内部出现的现象。从图7可得知,由于反射光线,水壳内的微小水滴以及它们的运动情况都可以看得很清楚。图8则是有激光束照射时的泡泡实验情景。


    图7

    图8

        上面只大体说了佩蒂特所完成的一个泡泡实验的主要步骤,我们可以通过附件里的视频得知这个实验过程的细节以及相关的现象。这里一共有三个视频,包括上述实验之外,还有他做的另外两个泡泡实验的情况。由于视频的解说是英文的,我们给出它们的中文梗概,以帮助大家了解。

        视频1. 一个自由大水球中的波

        这里有一个直径为130毫米的自由大水球。我们从一侧沿着径向方向吹出一口空气,有10毫升,时间约为100毫秒。于是可以看到其结果是在球体里和表面上便形成了各种各样的波,表面波和球体波的组合穿过水球。我们来观看一下这个缓慢的动作:开始产生一个凹坑,它抛出一个小水滴;有一系列表面波一起到达凹坑的末端,即与碰撞处相对180度的那一点;然后表面波反折向另一侧朝着碰撞点移动。这种情况一直持续到这些波被阻尼掉。整个视频是实时播放表面波和球体波的演化。

        视频2. 一个球体中气泡里的水滴

        这里有一个直径为75毫米的水球,里面有一个直径约为35毫米的气泡。我们向气泡里注入一些小水滴,它们的直径在1~8毫米。这些水滴彼此碰撞并与壁面发生碰撞。大部分的碰撞是弹性碰撞,但偶尔有的碰撞会产生通过交界面的质量传递。和质量传递相关联的还有动量交换,这样就推动小水滴。这里有一个水滴正沿着水球的内表面做圆周运动,直到出现质量传递而把它推出了表面。

        视频3. 一个水球中的抗酸剂药片的泡腾

        这里有一个直径为55毫米的水球,它带有一个可以发生泡腾的抗酸剂药片。由于化学反应产生大量小气泡,这是非均质生成过程的实例。其中气泡来自固体表面,而且能通过动量交换跑出来进入到流体中。这些小气泡迅速地崩溃并聚,当它们达到某个尺寸时似乎就以十分快的速率吃掉其它的气泡。它们正在长大,形成一场泡泡战争。结果出现了一个双极情况:两个大气泡快速地吃掉所有其它的泡泡。而最终的情况则是:只有一个占优势的气泡,所有其它的泡泡都被挤进了一个环形的空间里。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 全屏 打印 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多