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“天宫二号”科普来了(二):“液桥”是座什么桥?居然要在太空

时间:2019-06-14 05:33 来源:未知 作者:admin

  说到桥,大师起首想到的该当是交通道路的桥梁布局,好比独木桥、石拱桥、钢筋混凝土桥、斜拉桥等等,这些桥都是质地坚硬的固体布局材料搭建而成。

  出名的“赵州桥”

  那么你能否见过一种桥是由水或者液体做成的呢?

  谜底其实是必然的!——当你在洗手的时候,指间的小液柱就是“液桥”。

  液体构成的桥——“液桥”什么是液桥?

  液桥其实并不是我们常见的交通运输的桥梁,而是在固体间的小液柱。之所以被称为液桥,是由于“桥”字有毗连两地的寄义,液桥就是毗连着两个固体概况之间的一段液体。所以,能够很负义务地告诉大师,想站在液桥上看风光,那是不克不及够的。

  液桥若何构成?

  气液界面之间具有着概况张力,使得液体概况比如有一层很薄的弹性薄膜一样。恰是如许一层“虚拟”的薄膜,使得液桥的概况描摹得以维持,而不会“垮塌”。因为概况张力很弱,所以在一般重力情况下构成的液桥尺寸很小(凡是只要几毫米),跨越这个尺寸,液桥将无法均衡其重力而垮塌。

  液桥的尺寸虽小,可是却不克不及小看它的感化哦!我们必然有如许的体味:在沙岸上,若是用手捏一把干燥的细砂,松手仍是散沙;可是若是在沙子中掺一点水,就能够捏出各类外形的沙团。

  掺水的沙团(图片来历见水印)

  这是由于干燥的散沙插手水后,水在细微的沙子颗粒之间构成了液桥,使得散沙能堆积起来。我们用写字的毛笔,蘸了墨水后能构成一个笔锋,也是由于在笔毫间构成了液桥。细心察看,糊口中液桥的例子还有良多。

  沙粒间“液桥”对沙粒的感化

  奥秘的空间尝试安装

  也许你感觉这些糊口中的小例子层见迭出,但其实,液桥是“太空微重力流体力学研究”的一个主要课题。

  你晓得吗?期近将发射的“天宫二号”上,就搭载着如许一个奥秘的科学尝试安装——“液桥热毛细对流尝试箱”。

  该尝试安装由中国科学院力学研究所国度微重力重点尝试室担任研制,在天宫二号上特地用来开展液桥热毛细对流尝试。

  天宫二号上的“液桥热毛细对流尝试箱”

  这套液桥热毛细对流尝试箱重13kg,大小比通俗台式电脑还要小。红色电接口完成安装的供电和通信。科学家在地面放置尝试动作并上注指令,尝试箱收到指令后,内部机构将彼此共同完成一系列的尝试操作。

  那么问题来了:太空中的液桥和地面上的液桥有什么分歧的处所呢?

  特点1:能够成立大尺寸液桥

  在微重力情况下,重力几近消逝,物体处于“漂浮”的形态。地面上只能构成的小液滴,到了空间站便能够构成大的液球。这是由于重力消逝后,概况张力大显神威。

  于是,操纵太空的微重力情况,能够成立起很大尺寸的液桥,而这在地面大将是不成能的工作。

  目前,国际空间站上曾经做出了直径50mm的液桥。想让液桥连结不变是有前提的,理论上讲,需要包管液桥的高度和直径的比例小于必然值。不然,液桥过于细长,将会发生Raleigh不不变,即便是在太空仍是会“断桥”。

  特点2:能够发生热毛细流动

  当液桥两头的温度纷歧样的时候,一端热一端冷,在液体概况张力的感化下,会发生热毛细流动。热毛细流动是空间微重力情况下的次要天然对流形式。

  概况张力会跟着温度变化,温度高的处所概况张力低,温度低的处所概况张力高,概况张力不服均成为驱动微重力流动的要素。因为概况张力又称毛细力,所以这种概况张力温度效应驱动流动,又称为热毛细流动,或者叫做Marangoni对流。

  概况张力驱动的液桥热毛细对流机理

  微重力情况下的对流和地面天然对流有很大的分歧:在地面上,浮力对流是天然对流的次要形式,流体受热膨胀后,就会往上浮;而流体冷却缩小后,就会下沉,天然对流就构成了。

  从开水壶里的流动到大气环流都是浮力对流机制。

  发生浮力对流的底子缘由是重力感化,所以在空间微重力情况下,浮力对流消逝,热毛细流动起头主导天然对流。

  一般重力情况下的浮力对流

  因为地面浮力效应的掩盖,热毛细效应已经一度被轻忽。科学家们已经认为,“只需没有重力,对流就会消逝”。那么,在太空中将是抱负的无对流情况,若是在这种情况中制造高纯度晶体,将会获得高纯度的单晶。

  晶体发展示企图

  发展出的高纯(99.999%)单晶钽

  可是,现实永久是残酷的。良多科学家特地在国际空间站和探空火箭上(微重力情况)开展了晶体发展尝试。成果呢?与地面雷同,仍是有条纹缺陷。

  晶体发展获得的条带缺陷

  最初,科学家发觉,在微重力情况下,天然对流并没有消逝。虽然浮力对流消逝了,可是在地面上名不见经传的热毛细对流却起感化了,变成了拦路虎,这大约就是俗话常说的“按了葫芦起了瓢”吧。

  更不成思议的是,当温差跨越临界前提时,这种热毛细流动还会进入一种振荡流的形态,能够表示为温度的振荡。想想晶体在发展的过程中,忽冷忽热的,不呈现条纹才怪。

  通过太空和地面的对比尝试,人们才晓得,即便在地面热毛细流动也会导致这种条带缺陷微观布局。

  能够说,热毛细流动震动就是晶体发展中一个专搞粉碎的熊孩子。

  至于液桥为什么会呈现振荡,目前科学界仍然持有两种分歧的概念,在此不外多展开。

  国际空间站液桥尝试

  研究团队:多年勤奋,迎来第一次太空尝试

  我国科学家不断以来等候着能在空间微重力情况进行尝试,揭开热毛细对流的奥秘面纱。

  颠末多年勤奋,“液桥热毛细对流”研究项目终究拿到了一张“天宫二号”的“船票”,这也是我国第一次在微重力前提下开展液桥热毛细对流尝试。

  该项目标主任设想师、中国科学院力学研究所康琦研究员暗示:“为出产出高质量的半导体材料,就要科学节制单晶硅在晶体发展过程中浮力对流和热毛细对流的影响,而太空特有的微重力情况将使科学家深切分解热毛细对流的实在过程。”

  液桥热毛细对流研究项目主任设想师、

  中国科学院力学研究所康琦研究员

  为共同此次空间项目标开展,研究人员曾经在地面开展很多婚配试验研究。

  他们在尝试室操纵蓝宝石搭建了一套液桥安装,通过粒子图像测速和红外热像仪等先辈设备观测和阐发液桥流动,获得了大量的地面尝试数据。

  项目副主任设想师段俐研究员暗示,“因为空间尝试机遇少、成本较高,并且热毛细对流现象与其影响要素之间的关系并不是用简单公式就能够精确描述的,所以需要进行地面尝试,为空间尝试的成功进行供给科学合理的参考范畴。”

  项目副主任设想师、

  中国科学院力学研究段俐研究员

  历经3年多的工程研制,热毛细对流箱通过了层层的地面试验的考验。这套安装将搭乘天宫二号飞船冉冉升空,届时科学家能够用六合互动的体例开展一系列的空间尝试。

  等候我们国度自主研发的这套空间科学尝试安装带来丰盛的科学功效,让我们窥探奇异的热毛细对流更深条理的奥妙吧。

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