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中国毛笔为什么能在太空失重状态下写字?

关于在太空写字,曾经有一个流传甚广的谣言,说是:美国宇航局NASA为了能让宇航员们能在飞行手册上写字,专门花了几百万美元开发一种能抵消失重的钢笔,后来美国宇航员问苏联人“你们是拿什么写的?”答曰“铅笔”。这个故事有许多不同的版本,最离谱的说美国为了这支笔花了120亿,总之,要想在太空写字实在是太难了!

写几个字真这么难?

2021年秋季的“开学第一课”上,央视专门邀请到正在天宫空间站的中国航天员给同学们讲课,期间航天员刘伯明用毛笔在一张纸上写下了“理想”二字。有小伙伴发出惊呼:原来咱们中国的毛笔就能在太空写字!为什么美国要花那么多钱专门开发?

中国毛笔在太空的第一次亮相

实际上,美国人并没有花那么多钱为宇航员研发“太空钢笔”,跟苏联一样,NASA最早给美国宇航员发的也是木杆铅笔。考虑到在零重力状态下削铅笔很麻烦,会产生许多碎屑,后来美国宇航员们改用自动铅笔。这些铅笔不便宜,1962年NASA总共花费4382.5美元买了34支,平均每支铅笔128.9美元!

1962年美国宇航员使用的自动铅笔

为什么普通钢笔与圆珠笔不能在太空写字?许多人很快就能给出解释:因为在太空中没有重力,墨水不能像在地面那样到达笔尖,铅笔则不需要考虑重力影响。

果真如此吗?

在太空中使用的铅笔比较硬,因为软的铅芯容易断,写字更容易掉粉,这些石墨粉末是导电体,在飞船里到处漂浮有可能造成设备短路,这是很要命的。所以苏联人其实用的是类似于蜡笔一样的铅笔,它的碎屑不导电。

然而普通钢笔与圆珠笔是能够在失重状态下书写的,这符合物理学原理。

我们来做一个小实验:拿一支钢笔或圆珠笔,仰面朝上在本子上书写,很快就看不到字迹――墨水断了,因为墨水被重力往下方拉。太空在任何方向都没有重力,你应该把本子贴在墙上,再将笔杆保持水平状态,怎么样?书写没有问题。

走珠笔在水平状态书写不受重力影响

实际上钢笔与圆珠笔里的墨水并不需要依赖重力,它们是靠分子间相互吸引的力流向纸张的。

高中物理老师告诉我们水有表面张力,因为水分子之间会通过氢键相互吸引,并且水分子与毛细管的管壁之间也存在比较强的吸引力。即便没有重力的参与,毛细管里的水柱高度也会比外边更高。

拆开一支钢笔,你可以看到笔尖有一条很窄的缝隙,而连接笔尖的部分被设计成密集的栅格,这都是基于毛细管的原理,让墨水可以保留在栅格中。当笔尖从纸上划过,墨水从缝隙中流走,栅格里的墨水会因分子间的引力源源不断地补充到进来,全程不需要重力的参与。

对于圆珠笔来说也是同样的道理,当墨水或油墨被滚珠带走时,笔芯里的墨水会因为黏性而非重力流入笔尖。

钢笔的设计充分利用了毛细管原理

可能是因为上世纪50年代并没有这种设计,当时的钢笔很容易漏墨,会在飞船发射过程中搞得到处都是,并且NASA对于墨水的分子物理学还是不那么放心。

1965年,一家私人公司发明了“硫化特殊墨”,这种凝胶状的墨能随着时间的推移慢慢液化,再通过在笔杆里加上一个充了氮气的气囊,就能给墨水施加压力,从而将墨水从笔尖挤出来。

由于在笔内部施加气压,笔可以从各个方向进行书写,哪怕零重力状态也能应对自如,因此被称为“太空笔”。据说为了研制“太空笔”,费希尔公司耗资达“100万美元”,NASA于1967年以每支6美元的价格买了400支,苏联也在1969年采购了100支提供给宇航员使用。

费希尔公司的AG7太空笔

关于太空中使用的笔,有另一个故事值得一提:1969年,当阿波罗11号准备从月球出发返回时,宇航员奥尔德林发现飞船上升器的一个开关柄被碰断了,打不开开关,两个人有死在月球上的风险。最后奥尔德林将随身携带的一支笔的笔尖插入断路器并翘动了开关,两名美国英雄成功脱困。阿波罗11号机组返回地球后,这支“立了功”的笔被陈列在博物馆里供人们参观。

值得注意的是:阿波罗11号任务并没有使用费希尔公司的“太空笔”,而是用了从杜罗制笔公司采购的毡尖笔,也就是我们今天广泛使用的记号笔、马克笔。

阿波罗任务采用了毡尖笔

马克笔没有复杂的加压机构,也不需要携带氮气气囊,与钢笔一样,它就是利用毛细管现象将墨水抽到笔尖。

包括圆珠笔、滚珠墨水笔和马克笔在内的各种笔在空间站里都有广泛使用,这些笔便宜又方便,宇航员们并没有觉得与在地面书写有什么不同。偶尔遇到断墨,只要轻轻甩一甩就能续上。

各种笔在国际空间站都有使用

刘伯明在空间站里写字用到的毛笔也同样是用到了毛细管原理。黑色墨汁被一根根羊毛包裹着,羊毛间的缝隙形成毛细管,所以即便是零重力的太空,航天员依然能自如地展示书法技巧。

刘伯明太空挥毫

有朋友问,中国航天员用的毛笔是不是特制的海绵头,为什么墨水不会滴下来?道理很简单:空间站里是微重力环境,墨汁会更容易地附着在毛笔上,它不可能往下滴。并且从刘伯明展示的太空书法作品看,“理想”的“想”字有明显的飞白,这是毛笔书法特有的现象,因此可以肯定那不是海绵笔,而是一支真正的中国毛笔。

刘伯明书写“理想”二字

作为中国书法的铁杆爱好者,神舟十三号指令长翟志刚说他也带去了一套“笔墨纸砚”,打算业余时间一展身手。老周猜测,砚台在空间站里八成是没办法用,微重力状态下磨墨很可能会搞得到处黑,而如果要在春节时写对联,他怎么往毛笔上添墨是一个看点,万一蘸多了也是很难弄下来的。

翟志刚的字不错,接下来他在空间站里秀书法,一定是看点多多,让我们拭目以待吧!

翟志刚的太空书法值得期待