写钢笔的物理学

  物理

一支钢笔,几方素笺,三两祝福的话语,这是节日里人们表情达意最常用的方法。但是可曾有人想过墨水是如何从笔端移动到纸面的吗?韩国和美国的科学家2011年12月20日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的 研究 分析了这个问题。

该研究的领导者,韩国首尔国立大学的机械工程学教授金昊永(Ho-Young Kim)认为,“书写是人类最重要的发明之一,但奇怪的是,很少有人去研究如何从科学角度解释书写过程”。这引发了研究者的兴趣,他们利用极端简化的墨水笔和模拟墨水以及蚀刻硅片模拟的纸张进行了研究。研究者提出的理论包含几个方面的内容:毛细管作用令墨水克服重力等作用力流入细管中,而这一作用包含两个过程:第一,液体通过接触部位的分子吸引力粘附于固体之上,第二,液体的表面张力。另外两个重要的因素是液体的粘度以及书写的速度。在研究者看来,书写的过程就仿佛钢笔和纸张在争夺墨水。

纸张上的微小孔洞通过毛细管作用吸引墨水,而墨水的粘度则在阻碍这种运动;运动的钢笔也在拖动墨水,而墨水的粘度同样也在阻碍钢笔的运动,随着书写速度的不同,这两种作用就导致了或粗或细的笔迹。为了验证这一理论,研究者用一些直径为0.5-1毫米的玻璃细管制作了“笔”,用不同浓度的甘油作为“墨水”,在硅片上蚀刻出深度和相互之间距离远小于玻璃细管直径的小圆柱作为“纸张”进行实验。实验完全印证了理论,不过研究者表示这个结果并不适用于圆珠笔。

鉴于纸张实际是由纤维素纤维组成的,对液体流入纤维素纤维网络过程的研究也有助于我们理解植物是如何吸收水分的——为什么参天巨木没有机械泵也可以将水分送入顶端?此外,多孔纤维材料也可以应用在生物医学领域。

编译自: physorg网站2011年12月30日
导读者: daiwq
原文: 请看这里
图片: János Fehér

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