神奇的氣泡

朱具德

（江蘇省新沂市第一中學(xué) 江蘇 徐州 2214 00 ）

1 問題的提出

2013 年6月20 日我國首次在太空進行授課，宇航員們做了大量精彩的實驗，其中王亞平向水球內(nèi)注入的兩個氣泡既不像平時我們看到的在水中那樣向上浮起并冒出水面，也不像平時看到的靠近時粘在一起，而是在水球內(nèi)自由“飄蕩”．這是什么原因呢？

2 現(xiàn)象解釋

2．1 氣泡為何無法冒出水球表面

原來王亞平所處的“天宮一號”距地面高度h為340 k m，繞地球做勻速圓周運動，它的軌道半徑r為h＋R（R為地球半徑6400 k m）．引力提供了“天宮一號”的向心力，即

圖1

水球內(nèi)的氣泡隨著“天宮一號”一起繞地球轉(zhuǎn)動，除了受地球引力外，還可能受到水的浮力．引力與浮力的合力為它提供了繞地球做勻速圓周運動的向心力，如圖1所示，則

比較式（1）、（2）可得 F浮＝0

相當(dāng)于氣泡與水之間無相互作用，所以，氣泡處于完全失重狀態(tài)，無法浮起，于是也無法冒出“水面”．

2．2 氣泡為何不粘連

大家通常所見到的肥皂泡膜有內(nèi)外兩個表面，不論是它的外表面，還是內(nèi)表面都與空氣接觸，這些接觸的表面存在一個薄層即表面層．表面層內(nèi)的分子要比液體內(nèi)部稀疏些，也就是分子間的距離要比液體內(nèi)部大些，于是，分子間作用力表現(xiàn)為引力，宏觀上稱之為表面張力．這就意味著肥皂膜的內(nèi)外兩個表面都存在著表面張力．自然當(dāng)兩個肥皂泡靠近時，它們的外表面間分子也就相互吸引，從而粘在一起或合二為一．

可是“天宮一號”中水球內(nèi)的氣泡是被水包圍的，氣泡膜外表面全是水且與水渾為一體，由于無法蒸發(fā)，分子間距離等于平衡位置間距離r0，分子間的引力和斥力相互平衡，分子力宏觀上表現(xiàn)為零．而氣泡膜的內(nèi)表面仍存在著表面張力，使氣泡成為球狀．所以，水球內(nèi)的氣泡間相當(dāng)于無相互作用，即使靠近甚至碰在一起其外表面也不會吸引（或排斥），好像潛在水下的游泳者的頭發(fā)，自然散開；也好像懸浮在空氣中的氣球，它們各自漂浮，互不干擾，自然也就不會粘在一起了．