太空养鱼不悠闲,浮力消失斑马鱼,“谁”主沉浮?

力学王小胖 2024-04-26 17:38:39
1、新闻背景

神舟十八于4.24晚九点零窗口成功发射,十七、十八两个乘组在天宫顺利会师。这次航天十八乘组需要在太空开展的任务很多,其中有一项特别的不一样:太空养鱼。

天宫会师

这是国内首次在轨水生生态研究项目。之前,我们养过水稻,也养过蚕,这些动植物的生长环境较为简单,有土有空气,即可生存。鱼就不一样了,鱼的生存必须有水。

在轨水生生态系统

植物长在土里,生长发育后扎根于土壤之中;蚕生活在桑叶上,爪子可以牢牢抓住物体。鱼没有根系,没有手脚。平时,鱼儿在水中游来游去,基本上是处于“悬浮”的状态中。在地球上,由于地球引力的存在,鱼儿的“悬浮”是可以控制的。但是,太空失重环境下,处处是悬浮,斑马鱼会不会感到不适?陌生的环境下,斑马鱼会不会也像人类一样,出现“晕水”症状呢?它又如何游上游下呢?

太空中的斑马鱼是否会晕水

2、鱼儿的浮力控制

鱼儿在水里可以自由地游上游下、游左游右,也可以自由自在地停在某一深度。当鱼儿游来游去的时候,同学们肯定比较容易理解,通过尾巴、鱼鳍的摆动、划动,与水产生相互作用力,从而是被水推着往前游的。所以,通过力的作用方向调整,就可以实现任意前后、左右、上下方向的游动。

游动依靠水的推力

鱼儿游累了,停下来休息,为什么它可以停在水中的任意位置?要知道,不同的水深,受到的水压是不一样的。阿基米德告诉我们,物体受到的浮力跟水的密度,物体的体积,还有重力加速度,即。从这个公式中发现,对于鱼儿来讲,想要改变浮力,只有一种方法:改变自己的体积。

鱼儿的重力和浮力

水里的鱼儿,静止状态下,受到地球引力(重力)和浮力的作用。通常情况下,短时间内的地球引力的变化可以忽略,也就是说重力是不变的,只要浮力也不变,那么鱼儿就可以停止在水中的任意位置。

实际上,鱼儿的浮力是可以控制的。鱼儿吃的胖一点或者瘦一点,体型不一样,浮力就不一样。这个单纯的体型浮力不可能刚好就跟体重一样,这样的话鱼儿想要悬浮在水中就变得非常困难。不过,大自然的进化很神奇,鱼儿可以较为轻松地控制自己的体型,而不用把自己吃胖、或者吃瘦。

鱼鳔是鱼沉浮的关键

鱼儿控制自身的体型,主要依靠鱼鳔。当鱼鳔内充气时,其体型就像气球一样被吹大,从而排开水的体积变多,浮力增加。换个角度理解:空气进入鱼的体内,鱼整体的平均密度就变小了,鱼就浮起来了。反之,当鱼想下潜时,则会排出鱼鳔内的空气,降低浮力。潜水艇的沉浮正是这个原理。

潜水艇的沉浮

2、太空中的浮力

太空中是没有浮力的,是一个失重的环境。失重环境产生的原因,在于空间站绕地球旋转,空间站受到地球的引力与离心力形成了平衡。这种状态下,物体不能被地球引力吸住。

引力与离心力平衡

既然物体的离心力与地球引力平衡了,那么太空中的水也一样。太空中的水在表面张力的作用下,会自发地变成一个水球,这个水球可以停留在空间站的任意位置,前几年的天宫课堂,相信大家都了解过。另外,在它的内部,水压也消失了。

天宫课堂里的水球

太空中的鱼儿,同样也是离心力与地球引力平衡,重力感消失了。浮力的消失,源于重力感的消失。地球上的水由于重力,水内部互相挤压,形成水压。太空中的水球,没有了重力,其内部不存在互相挤压力,也就没有水压,里面的鱼其实是感受不到水给它的压力的。只有它在游动的时候,才会觉得自己还“活着”。

鱼儿想在地球上一样,控制自己的鱼鳔,使之充气或者放气,但是鱼儿却感觉不到自己位置在上下运动。比如,这条太空中的斑马鱼,游累了,想浮出水面。往鱼鳔里鼓气,鱼儿感觉不到水的流动,它以为气不够,于是使劲鼓气,可是一点用都没有。如果这条鱼既不聪明,又很执拗,那么甚至有可能会被自己炸死。总之,这种脱离自己掌控的感觉,鱼儿肯定不好受,可能会“晕水”。就像航天员刚开始到达天宫,身体也会产生不适。我们人类能够通过认知调整过来,鱼儿也能吗?

4、总结

太空养鱼其实是个生态循环系统,它对未来改造外星球,或者太空站生态自循环,有着很大的意义。但是,空间站的失重环境,鱼儿能否适应,目前尚不得知。斑马鱼失去了鱼鳔的沉浮功能,会不会觉得自己患了“失鳔症”?失鳔的感觉,鱼儿到底需要多久才能克服呢?让我们拭目以待。

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力学王小胖

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