ipad笔怎么用(iPad第五代要想用笔怎么弄)

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。

为什么空间站上能使用毛笔?

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?

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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。

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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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

图8 体温计的细管

来源:中科院高能所

编辑:just_iu、yrLewis

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