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天宫课堂：毛细现象背后的知识

2022-10-14 06:00阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1489783431

10月12日下午，“天宫课堂”第三课正式开讲。神舟十四号飞行乘组航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲在中国空间站进行太空授课。其中的一个授课内容就是探讨在微重力环境下流体的行为与地面会有哪些不同？
天宫课堂：毛细现象背后的知识
授课视频
下面是有关毛细现象部分航天员的解说。
陈冬：下面我给同学们演示一个小实验，来进一步展示流体现象的天地差异。在我面前这是一个装满水的培养皿，为了便于观察，我在里面加了一些颜料，这是三根粗细不同的塑料管，等一会儿我会把它同时放在水中，会和地面的现象一样吗？
最细的管子，液面上升很快，旁边两个管子液面上升比较慢。和地面最明显的区别就是在太空由于没有了重力的束缚，表面张力作用会更加明显，会驱动液面不断上升，最终液面都会上升到管顶，正如亚平老师所说，流体表面张力作用又一次大显神威，最粗的管子液面也会上升到管顶。
刘洋：同学们，别看这个实验简单，里面涉及的原理比较复杂，科学家就需要研究这些看似简单的现象，然后利用这些原理去解决遇到的问题
，比如航空器发动机的燃料储箱、高空热管都利用了毛细作用。

看了上述视频和文字解说，是否对毛细现象有了更多的好奇？
1．毛细现象的探究历程
把一个玻璃毛细管插入水中，能明显能够看到毛细管中的水上升，最终停留在一个比水平面高的位置，这就是毛细现象。这么一个看似简单的过程，却是界面浸润性领域的研究基石，人类从初步意识到这个现象到完全理解其规律经历了三百多年的时间。
天宫课堂：毛细现象背后的知识
毛细现象
达芬奇是第一个对毛细现象做了记录的观察者。他相当大胆地在笔记中做出设想，认为山上泉水就是源于这一系列组成网络的毛细管提供的升力作用而形成的。雅克·罗豪是笛卡尔物理学的著名宣传家，他认为毛细管上升的是由于空气不稳定，空气可以在窄的毛细管中进行流通，创造出真空来使液体上升的。意大利天文学家杰米尼亚诺·蒙坦雷把毛细上升现象和植物流出的汁液做了对比研究。以观察木星的卫星和动物行为著名的意大利数学家生理学波雷里在1670年提出了毛细上升高度和毛细管半径成反比的关系。
弗朗西斯·豪克斯比是第一个系统地研究液体在毛细管中上升现象的科学家，他使用染色的液体和玻璃管做了一系列实验，并从中得出了如下结论：
1）毛细现象，在空气中和真空中都会发生。（反驳了上面的空气传递的观点）
2）毛细现象不只是存在于圆柱形状的毛细管里，也存在于两块平行的固体板中。但是当板子距离与毛细管直径相等时，板子中间液体上升的高度是毛细管内部液体上升高度的一半。
3）毛细现象也存在与其他固体（大理石，黄铜）和其他液体（乙醇，油等）的相互作用中。
4）毛细管中液体上升的高度与毛细管的壁厚无关。他使用不同外壁厚度（内径相同）的玻璃管，发现上升的高度几乎相同。
牛顿是豪克斯比的同事，他在自己的光学专著中描述了这些实验的结果，不过却并没有提及豪克斯比的名字。
1712年，被称为泰勒展开式之父的泰勒，做了一个两个平板间毛细现象的实验。他惊奇地发现，固体壁边缘的液面轮廓竟然看着像一条双曲线。之后豪克斯比通过自己精确的测量数据证实了这个结论。然而，基于种种原因，上述这些人最终都没能把自己的名字写在毛细现象的定律里。
幸运之神反而降落到一个叫James Jurin（1684–1750）的英国心理学家身上，他在1718年独立地证明了毛细管中液体上升的高度和毛细管的直径成反比关系，因此毛细现象也被称为注林定律（Jurin's rule），其数学表达式为：
h=2rcosθ/Rρg
此处：h是管内液体的高度：r是液体的表面张力；θ是液体和管壁的接触角；ρ是液体的密度；R是管的半径；g是重力加速度。
当θ>90，这表示弯液面为凸面；h<0，表示液体在毛细管内的液面下降，即汞在玻璃管内的情况。
理论上，在直径为1米的玻璃管中，水可以上升0.000014米，因而极不易觉察；在直径为1厘米的玻璃管中，水可上升0.14厘米；而在半径为0.1毫米的毛细管中，水可上升140毫米。
又过了约一个世纪，在1806年，这个现象背后的原因才最终被拉普拉斯的理论从能量的角度完全揭示出来。
2．毛细现象的产生
1）浸润和不浸润
在洁净的玻璃板上放一滴水银，它能够滚来滚去而不附着在玻璃板上。把一块洁净的玻璃板浸入水银里再取出来，玻璃上也不附着水银。这种液体不附着在固体表面上的现象叫做不浸润。对玻璃来说，水银是不浸润液体。
在洁净的玻璃上放一滴水，它会附着在玻璃板上形成薄层。把一块洁净的玻璃片浸入水中再取出来，玻璃的表面会沾上一层水。这种液体附着在固体表面上的现象叫做浸润。对玻璃来说，水是浸润液体。
同一种液体，对一种固体来说是浸润的，对另一种固体来说可能是不浸润的。水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡。水银不能浸润玻璃，但能浸润锌。
2）毛细现象
把浸润液体装在容器里，例如把水装在玻璃烧杯里，由于水浸润玻璃，器壁附近的液面向上弯曲（图甲）；把不浸润液体装在容器里，例如把水银装在玻璃管里，由于水银不浸润玻璃，器壁附近的液面向下弯曲（图乙）。在内径较小的容器里，这种现象更显著，液面形成凹形或凸形的弯月面。
天宫课堂：毛细现象背后的知识
毛细现象示意图
把几根内径不同的细玻璃管插入水中，可以看到，管内的水面比容器里的水面高。管子的内径越小，里面的水面越高。把这些细玻璃管插入水银中，发生的现象正好相反，管子里的水银面比容器里的水银面低，管子的内径越小，里面的水银面越低。
浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象，叫做毛细现象。能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管。
液体为什么能在毛细管内上升或下降呢？我们已经知道，液体表面类似张紧的橡皮膜，如果液面是弯曲的，它就有变平的趋势，因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。浸润液体在毛细管中的液面是凹形的，它对下面的液体施加拉力，使液体沿着管壁上升，当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时，管内的液体停止上升，达到平衡。同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象。
3．地面与天宫中毛细现象的差异
12日的实验，陈东和刘洋两位航天员所用的实验器材是粗细不同的塑料管和水。对塑料来说，水是浸润液体，所以会在毛细管中上升。
塑料管插入水中，因为水是浸润液体，在毛细管中会产生向下的凹液面，管中的水柱会受到向上的拉力。在地面上做实验，随着水在塑料管中上升，当向上的拉力和水的重力相平衡之后，水就会停留在塑料管中的某个位置，不再上升了。但在天宫中做实验时，因为空间站整体处于失重状态，向下的重力基本上不存在了，所以不管是粗的管子还是细的管子，管中的液面仅在向上拉力作用下，都会不断地上升，直到整个管子充满液体。
天宫课堂：毛细现象背后的知识
4．毛细现象的应用
两位航天员在介绍中说，毛细现象在很多地方都有作用。比如航空器发动机的燃料储箱、高空热管都利用了毛细现象。这样的例子还是离我们的生活远了一些，我们可以再举几个身边的事例来说明它生产生活中的应用。
比如说，前几天我向大家介绍了我们国内最高的一棵树，高度达到83.4米。这样高的树，是怎样吸收水分和养料的？有人以为靠的是虹吸现象，即利用压强差来提水，但虹吸现象最多只能将水提到10米左右的高度。其实，植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管，因为它的管径极细，所以产生的向上的拉力总是大于管内液体的重力，能够把土壤里的水分吸到很高的高处，让大树的细枝末梢都能得到相应的水分和营养。还有，像砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象，在这些物体中有许多细小的孔道，起着毛细管的作用。现在衣服中有很多科研设计，有的就考虑了毛细现象。例如夏天穿的衣服，选择的衣料如果是亲水的，毛细管有很细，就能很快地将你出的汗给排出去，帮你创造舒适的生活环境。
有些情况下毛细现象是有害的。例如，建筑房屋的时候，如果夯实的地基毛细管又多又细，它们就会把土壤中的水分引上来，使得室内潮湿。建房时在地基上面铺油毡等隔离层，就是为了防止毛细现象造成的潮湿。
水沿毛细管上升的现象，对农业生产的影响很大。土壤里有很多毛细管，地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来。如果要保存地下的水分，就应当锄松地面的土壤，破坏土壤表层的毛细管，以减少水分的蒸发。

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