太空中能用钢笔写字吗？

安徽省灵璧县黄湾中学 华兴恒

太空中能用钢笔写字吗？

安徽省灵璧县黄湾中学 华兴恒

同学们在学习有关失重的知识时，老师常常会给大家讲述这样一个有趣的故事：美国太空总署为了解决宇航员在太空中完全失重状态下的书写问题，花费几百万美元研究专用书写工具——太空水笔，结果以失败而告终。因此，美国太空总署的研究人员感到很难堪，而他们也不得不出重金征求能解决这个问题的高手。一天，太空总署收到一个小朋友的来信，这封信上只有简短的几个字：你们试过铅笔吗？这个看似重大的科学难题，被一个孩童不费吹灰之力便给顺利地解决了。由此可见，科学家的思维有时也会受到限制，而小朋友则不会有此问题。

那在太空中究竟能不能使用钢笔（或圆珠笔）顺利地书写呢？很多老师是这样解释的：钢笔水（或圆珠笔油）都是靠重力写在纸上的，由于在太空中处于失重状态，所以是不能用钢笔（或圆珠笔）进行书写的。但是我认为这样的解释是不对的。事实上，在太空中也确实不能使用钢笔（或圆珠笔）进行正常的书写。因此前苏联宇航员在太空中使用的是铅笔。用铅笔写字只与石墨和纸的附着力有关，与重力无关，从而解决了这个问题。但是铅笔芯断裂后，在无重力的空间中飘浮，可能会飘进宇航员的鼻腔、眼睛，或引起电路短路。此外，铅笔的笔芯和木头在纯氧环境中很容易快速燃烧，危险性极高。所以，工程师保罗·费舍尔在1965年发明了一种能在太空环境中使用的不漏油、不褪色的高品质圆珠笔，即为通常所说的太空笔。现在宇航员在太空中书写使用的都是带有压力的专用太空笔。

下面我们就来探究一下在太空中使用钢笔（或圆珠笔）不能进行正常书写的原因到底是什么？

假如用钢笔书写是靠钢笔内墨水的重力作用的话，若把钢笔倒过来，将笔尖向上在纸上书写，由于此时墨水受到的重力是向下的，钢笔应该是不能顺利书写的。然而事实并非如此，此时不仅可以顺利书写，而且与笔尖向下书写没有什么区别。而如果用圆珠笔做类似的实验，则效果不如钢笔。有人曾用三支不同的圆珠笔做过此类实验，结果是其中两支圆珠笔没画几下就不下油了，而另一支圆珠笔则是反复做了几次，均可在16开的纸上画上近半个篇幅的横线。其实，圆珠笔在失重状态下也不是完全不能使用，较好的圆珠笔也可以写出近百个汉字，但最后也就不能写出字来了。

太空笔的结构

要想弄清楚上述实验原理，首先要了解毛细现象，而要了解毛细现象，还得从浸润与不浸润说起。如果将一小块洁净的玻璃片浸入水银中后取出，大家可以看到玻璃板上不会有水银附着在上面。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。将一小块洁净的玻璃片浸入水中后取出，玻璃的表面就会沾上一层水。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。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。能够产生毛细现象的细管，人们习惯上称之为毛细管。

还有一个实验很能说明毛细现象，在一装满水的大玻璃杯杯壁上搭上一条毛巾，毛巾的另一端放入旁边的小玻璃杯中，大玻璃杯中的水会通过毛巾不断地移入小玻璃杯中。这个有趣的实验很像虹吸现象，可是毛巾中并不存在细管，因此主要还是毛细现象。

由以上知识我们知道，毛细现象可以使液体沿着与它浸润的物体扩展。用钢笔写字，钢笔下水主要依靠的是毛细作用。由于钢笔墨水与纸之间是浸润的，钢笔尖压在纸上，笔尖的中缝会增大些，在毛细作用影响下墨水便会源源不断地沿着笔囊中的细管移动，并沿着笔尖的中缝流出粘在纸上了。这其中利用了墨水浸润钢、玻璃和塑料的原理。重力在此只起到次要的作用。

圆珠笔中虽然也有毛细现象，但它又与钢笔有所不同，圆珠笔油没有墨水的流动性强，它的粘滞性要比墨水强许多，因此毛细现象体现得并不是很明显，而对重力的依赖会比墨水要大些；再者，由于圆珠笔的特殊结构，利用圆珠笔写字是靠滚珠的滚动将油带出来完成的，因此圆珠笔中的滚珠与笔尖之间是有间隙的，在滚珠滚动的过程中，难免会有一些空气进入，从而阻断了滚珠与圆珠笔油之间的粘连，致使不出油（粘滞性特别大的劣等圆珠笔芯常会出现这种现象），这种现象在有重力的作用下很少发生，而在失重状态下却很容易发生。

那是不是圆珠笔油的粘滞性越小越好呢？当然不是，如果在圆珠笔的笔芯中注入墨水，将笔尖向上写字，更是写不了几个字。这也很好解释，相信大家都见过将一枚洁净的硬币平放在水面上而不会下沉的现象吧。如果事先将硬币沾上水，还能将硬币平放在水面上而不下沉吗？显然不能。圆珠笔的滚珠每次都用基本洁净的部分去粘圆珠笔油，因此即使它们是相互浸润的关系，也会有不粘的时候，更何况重力还起着副作用呢。因此，在太空失重的情况下，圆珠笔也就远不如钢笔下水流畅了。

那么宇航员在进入太空时，是不是可以带着普通的钢笔用于书写呢？当然不是。就算普通钢笔能在太空中使用，但是在将宇航员送入太空的过程中，要历经火箭升空时的加速过程，这时钢笔笔尖如果是向下的，便会由于惯性使墨水流出来。

以上探讨并没有提到钢笔外是否存在大气压，如果是在太空舱内，是有大气压的，并且应该是一个标准大气压；如果是在舱外，由于没有大气压，钢笔的笔囊中还留有少量的空气，这部分气体的压力会将笔囊中的墨水压出，或者笔囊中的空气本身被放出，这样没有气压的笔囊中若还有墨水的话，在书写时，它仍然会在毛细作用下，沿笔内管从笔尖源源不断地流出。

以上结论是本人通过查阅资料和推理得到的结论，是否准确还有待实验验证。如果大家有人认识宇航员的话，可以去问问他们，也许他们做过相关的实验呢！