CN116129719A - 利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微重力科学领域，具体公开了一种利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统及方法。本发明利用具有落差的现有设置(例如蹦极平台等)进行毛细现象微重力实验研究，即将毛细实验装置和毛细管固定装置组装起来，放入实验落舱中，利用具有高度落差的娱乐设施进行自由落体运动，使毛细实验装置处于微重力环境。同时，利用图像采集装置捕捉微重力下的毛细现象，为实验之后对其现象进行分析和研究提供实验数据。本发明方法与现有的方法相比，可以大大减少微重力毛细实验所需要的人力、物力和财力，降低了微重力毛细实验对于实验环境的严苛要求，可用于开展科学普及工作，为更多的人参与到微重力科学实验中来提供了强有力的支持。

Description

利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统及方法
技术领域
本发明涉及微重力科学领域，具体地涉及一种利用有高度落差的设施进行微重力下毛细现象实验的系统及方法。
背景技术
毛细现象广泛存在于日常生活和工程应用中，例如植物的根茎吸收土壤里的水分，抹布可以擦干湿桌面。在地面上，表面张力的作用随流动尺度的减小逐渐凸显，当流动空间的毛细尺度小于
Figure BDA0004045696650000011
时(其中，σ为表面张力，ρ为液体密度，g为重力加速度)，表面张力的作用将大于重力的影响，毛细现象表现得明显。而在微重力环境下，由于重力的消失，表面张力和毛细力将变得格外重要，溶液借助表面张力可以沿着毛细管爬升很高，而与流动空间尺度无关。许多情况下，毛细力是空间微重力环境下流体管理、运输、气液相分离唯一的驱动力。因此，通过实验研究微重力下的毛细现象是非常有必要的。
通常情况下，人类产生微重力环境最常用的方法有四种：落塔(大约1-10s的时间)、抛物线飞行飞机(大约20s的时间)、微重力火箭(大约数分钟的时间)和空间飞行器(大约数天到数年的时间)。但是，这些方法通常情况下需要耗费大量的人力、物力、财力去建造和使用相对应的专业设备，导致进行微重力实验的成本较高。对于相关实验人员，特别是进行科学普及的研究人员和参加科普实践活动的青少年、科学爱好者，利用已有的具有高度差的娱乐设施进行微重力下毛细实验的研究，能够以极低的成本进行微重力下的毛细现象实验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用具有高度落差的现有设施进行微重力下毛细现象实验的方法，例如能够使用现有的娱乐设施，以相对极少的人力、物力、财力进行微重力下的毛细实验，便于实验者研究微重力下毛细现象的运动机理研究，并且可以为科学普及实践者提供强有力的支撑。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
本发明提出了一种利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，所述系统在进行微重力毛细实验时，所述系统与实验舱一起固定到具有高度落差的设施上，并跟随设施做自由落体运动；所述系统包括：毛细管、毛细实验装置、毛细管固定装置和、双向弹簧可调卡具和图像采集装置；其中，
所述毛细管，用于进行毛细实验；
所述毛细实验装置，用于提供进行毛细实验所需的溶液环境；
所述毛细管固定装置，用于将毛细管固定在某一位置，使毛细管浸入毛细实验装置的溶液中后，不与毛细实验装置的底和壁接触；
所述双向弹簧可调卡具，用于将毛细实验装置固定在实验舱内；
所述图像采集装置，用于对处于微重力条件下的毛细实验现象进行拍摄、录像和微重力时间及界面爬升速度测量，方便后期回看微重力状态下毛细实验结果和实验现象，并对其进行分析。
作为上述技术方案的一种改进，所述具有高度落差的现有设施包括：太空梭、过山车、跳楼机和蹦极平台等。
作为上述技术方案的一种改进，所述毛细管设置为多个，并且直径尺度不同，用于观察不同尺度下的毛细管产生的毛细现象，并对比相互之间的相同点和不同点。
作为上述技术方案的一种改进，所述毛细实验装置，包括：透明器皿、带颜色的溶液和底座；其中，
所述透明器皿，用于盛放实验所需的溶液；
所述带颜色的溶液，用于在毛细管插入溶液中后产生毛细现象，便于观察毛细管中界面的变化情况；
所述底座，用于将毛细实验装置固定在透明器皿中，使毛细实验装置与透明器皿保持相对静止的状态。
作为上述技术方案的一种改进，所述透明器皿为烧杯；所述带颜色的溶液为滴入带颜色的水溶液。
作为上述技术方案的一种改进，所述毛细管固定装置包括两个平行板；平行板之间由两个可调节高度的固定托来固定；所述两个平行板在相同位置开有与毛细管尺度相同的小孔，用于将毛细管垂直固定在一定高度；同时两个平行板中下方的平行板还用于密封毛细实验装置。
作为上述技术方案的一种改进，使用胶带或胶枪将下方的平行板和透明器皿固定在一起。
作为上述技术方案的一种改进，所述双向弹簧可调卡具为可拆卸卡具，两侧均设置一个支撑盘；其中一个支撑盘外表面呈凸面，另一个支撑盘外表面呈凹面，用于顶住毛细实验装置透明器皿的外侧和实验舱的内侧；该卡具具有两个特点：(1)长度可调，能够满足不同直径的毛细实验装置使用；(2)内部装有强力弹簧。因为实验舱是用于开展多种微重力实验用的，在实验舱中安装的微重力实验设备，必须要能够轻松地取出来，以便于实验舱开展后续的实验。但同时，实验设备又要求能够牢固地稳定地固定在实验舱中，以便在实验舱搬运过程中，实验设备中的液体不会溢出来。本发明的双向弹簧可调卡具既能够将毛细实验装置牢固地安装在实验舱内，又能够通过调节器将卡具整体长度缩短，以便于将毛细实验装置方便地从实验舱中取出，它能够满足实验舱对实验装置的要求；
两个支撑盘的内表面之间设置有弹簧和长度调节器，用于使双向弹簧可调卡具处于设定长度。
作为上述技术方案的一种改进，所述图像采集装置，包括：摄像设备和电子设备；其中，
所述摄像设备包括多个摄像机；所述多个摄像机放置于实验舱中不同高度的位置上，分别从多个不同的方向对毛细实验装置中的实验对象进行拍摄，方便实时观察实验现象及后期回看实验过程，并记录微重力环境的时间长度和液面爬升速度；
所述电子设备，用于对实验过程进行录制，并为摄像设备提供无线网络，使摄像设备的录像视频能实时地传给电子设备，方便实时观察实验情况，并将实验过程的图像记录在电子设备之中，形成互相备份；
所述摄像系统和电子设备均进行防水处理。
本发明还提出了一种利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的方法，基于上述之一所述的系统实现，所述方法包括：
使用毛细管固定装置将毛细管固定于毛细实验装置中，使毛细管放入毛细实验装置后既能插入溶液面下面，又不与毛细实验装置底、壁接触；
使用双向弹簧可调卡具将系统再固定于实验舱内部，使系统牢固地跟随实验舱做自由落体运动；
利用图像采集装置多方位拍摄毛细管中的现象；相机(摄像机)放置于实验舱中不同高度的位置上，分别用于观察实验用的溶液、溶液的界面、以及毛细管中液体爬升的过程。
根据图像采集装置拍摄的图像研究微重力下的毛细现象。
本发明与现有技术相比优点在于：
1、本发明利用现成的设施创造出微重力环境，进行微重力毛细实验，操作简单方便，降低成本，大大提高了微重力毛细实验现象获得的效率；
2、本发明可以大大减少微重力毛细实验所需要的人力、物力和财力，降低了微重力毛细实验对于实验环境的严苛要求，可用于开展科学普及工作，为更多的人参与到微重力科学实验中来提供了强有力的支持。
3、采用独特的弹簧双向卡具，将毛细实验装置灵活地、稳定地、同时又牢固地固定在实验舱之内，使其在搬运和移动过程中保证液体不会因摇晃而溢出。这是一种简单、实用的方法。
附图说明
图1是本发明实验流程图；
图2是本发明毛细管固定装置和毛细实验装置示意图；
图3是本发明双向弹簧可调卡具装置示意图；
图4是本发明实验装置图。
具体实施方式
本发明的一种利用具有高度落差的现有设施进行毛细现象微重力实验的系统及方法，用于在地球上为毛细现象的研究提供一个微重力环境，以相对较小的人力、物力、财力进行微重力下的毛细实验的研究和分析。具有高度落差的现有设施有很多，比如：太空梭、过山车、高楼大厦、悬崖、跳楼机和蹦极平台等。
下面结合附图和实施例对本发明的毛细现象微重力实验流程进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的目的在于提供一种利用具有高度落差的现有设施进行微重力下毛细现象实验的方法，例如能够使用现有的娱乐设施，以相对极少的人力、物力、财力进行微重力下的毛细实验，便于实验者研究微重力下毛细现象的运动机理研究，并且可以为科学普及实践者提供强有力的支撑。所述方法包括：
图像采集装置、毛细管固定装置、毛细实验装置、双向弹簧可调卡具；如图2所示，是本发明毛细管固定装置和毛细实验装置示意图；其中，
所述图像采集装置，用于对处于微重力条件下的毛细实验装置进行拍摄、录像和有关参数的测量，方便后期回看微重力状态下毛细实验结果和实验现象的分析；
所述毛细管固定装置，用于将实验所需的毛细管固定在某一位置，使毛细管放入毛细实验装置后既能插入水面，又不与毛细实验装置底部接触；
所述毛细实验装置，用于盛放实验所需溶液和毛细管固定装置，其装置内盛放的溶液界面应高于毛细管的底部。
所述图像采集装置，包括手机和摄像系统；其中
所述手机，用于对实验过程进行录制，并为其他摄像系统提供无线网，使图像采集装置的录像视频能实时地传给手机端，方便实验者实时观察实验落舱装置内的实验情况，并将实验过程的图像记录在手机之中，使图像除了存储在图像采集装置之中外，还能够存储于手机之中，形成互相备份，同时其进行防水处理；
所述所述摄像系统包括多个摄像机设备，从多个不同的方向对实验装置中的实验对象进行拍摄，方便实验者实时观察实验现象及后期回看实验过程，并记录微重力环境的时间长度；同时进行防水处理。
所述毛细管固定装置，包括毛细管和固定装置；其中，
所述毛细管包括多个尺度不同的毛细管，用于观察不同尺度下的毛细管产生毛细现象，并对比其相互之间的相同点和不同点；
所述固定装置，包括两个平行板，用于将多个毛细管垂直固定在一定高度，同时可以起到密封毛细实验装置的作用。
所述毛细实验装置，包括透明器皿、带颜色的溶液和底座；其中，
所述透明器皿(如烧杯等容器)，用于盛放实验所需的溶液和毛细管固定装置，便于实验者观察毛细现象；
所述带颜色的溶液(如滴入墨水的水溶液)，用于将毛细管固定装置插入溶液中，产生毛细现象，便于实验者清晰的观察毛细管中界面的变化情况；
所述底座，用于将毛细实验装置固定在实验落舱装置中，使透明器皿与实验落舱装置保持相对静止的状态。
所述双向弹簧可调卡具，如图3所示，由两端的顶盘、中间的弹簧和长度调节器组成。两端的顶盘分别顶住毛细实验装置透明器皿的外侧，和实验舱的内侧。长度调节器用于调节双向弹簧可调卡具的长度，弹簧用于减震。使用3个以上的双向弹簧可调卡具，可以将毛细实验装置牢固地、灵活地固定在实验舱内部，使其保持稳定的状态。使用双向弹簧可调卡具，可以将毛细实验装置灵活地安装到实验舱内。因为一个实验舱要进行很多个不同的实验，毛细实验装置必须要能够方便地从实验舱中取出来，但又要紧固于实验舱之中，以避免毛细实验装置中的液体在实验舱搬运过程中溢出。因而需要使用这种可灵活拆卸的卡具来固定毛细实验装置，而不能够将毛细实验装置永久固定于实验舱之内。
实施例2
本发明提供了一种研究微重力下毛细实验的方法。该方法可以观察到在微重力环境下的毛细现象。实验过程分为以下几个步骤：
(1)选择不同尺度的透明毛细管，尽量选择亲水材料。
(2)将两个平板以一定的高度固定，使其相互平行；在两个平板的相同位置钻出与毛细管尺度相同的小孔，用于固定毛细管。毛细管的位置尽量错位摆放，便于图像采集装置录制和拍摄实验过程。
(3)使用胶枪将毛细管垂直固定在平行板上，所有尺度的毛细管在同一高度上，且平行板下面部分的毛细管应该保留合适的高度：在实验过程中既要插入毛细实验装置的水面，又不能与毛细实验装置的底部接触。
(4)使用一个大小合适的烧杯，并倒入适量的水溶液，在水中滴入几滴深色的墨水，使水的颜色发生变化，便于后续清楚地观察毛细现象。
(5)将步骤(3)做好的毛细管固定装置放入烧杯上，其中毛细管固定装置的下平板作为烧杯顶部的盖子；使用胶带、胶枪等将毛细管固定装置和烧杯固定在一起。
(6)将烧杯连同毛细管固定装置放入实验落舱装置中，并使用胶带将其固定在实验落舱装置的底部。
(7)使用3个以上的双向弹簧可调卡具将毛细实验装置固定在实验舱内部。
(8)在合适的位置固定手机、摄像设备等图像采集装置，使其能够多方位、清晰地拍摄到毛细管中的现象。
(9)打开实验落舱装置内的光源装置，用于为实验过程中照明，便于图像采集装置的拍摄和录制，如图4所示，是本发明实验装置图。
(10)将弹力绳安装到装置上，且与吊臂进行连接；通过吊臂将实验装置从高数十到数百余米，甚至更高的平台进行释放，使其进行自由落体运动。通过手机端实时观察实验落舱中的毛细现象。
(11)通过弹力绳和吊臂回收实验装置。将图像采集装置拍摄和录制的图像导出，用于研究微重力下的毛细现象。
本发明公开了一种利用具有高度落差的现有设施进行毛细现象微重力实验的方法，该方法涉及微重力科学领域。所述方法包括：图像采集装置、毛细管固定装置、毛细实验装置。该方法利用具有落差的现有设置(例如蹦极平台等)进行毛细现象微重力实验研究，即将毛细实验装置和毛细管固定装置组装起来，放入实验落舱中，利用具有高度落差的娱乐设施进行自由落体运动，使毛细实验装置处于微重力环境。同时，利用图像采集装置捕捉微重力下的毛细现象，为实验之后对其现象进行分析和研究提供实验数据。本发明所提出的方法与现有的方法相比，可以大大减少微重力毛细实验所需要的人力、物力和财力，降低了微重力毛细实验对于实验环境的严苛要求，可用于开展科学普及工作，为更多的人参与到微重力科学实验中来提供了强有力的支持。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，其特征在于，所述系统在进行微重力毛细实验时，所述系统与实验舱一起固定到具有高度落差的设施上，并跟随设施做自由落体运动；所述系统包括：毛细管、毛细实验装置、毛细管固定装置、双向弹簧可调卡具和图像采集装置；其中，
所述毛细管，用于进行毛细实验；
所述毛细实验装置，用于提供进行毛细实验所需的溶液环境；
所述毛细管固定装置，用于将毛细管固定在某一位置，使毛细管浸入毛细实验装置的溶液中后，不与毛细实验装置的底和壁接触；
所述双向弹簧可调卡具，用于将毛细实验装置固定在实验舱内；
所述图像采集装置，用于对处于微重力条件下的毛细实验现象进行拍摄、录像和微重力时间及界面爬升速度测量，方便后期回看微重力状态下毛细实验结果和实验现象，并对其进行分析。
2.根据权利要求1所述的利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，其特征在于，所述具有高度落差的设施包括：太空梭、过山车、跳楼机和蹦极平台。
3.根据权利要求1所述的利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，其特征在于，所述毛细管设置为多个，并且直径尺度不同，用于观察不同尺度下的毛细管产生的毛细现象，并对比相互之间的相同点和不同点。
4.根据权利要求1所述的利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，其特征在于，所述毛细实验装置，包括：透明器皿、带颜色的溶液和底座；其中，
所述透明器皿，用于盛放实验所需的溶液；
所述带颜色的溶液，用于在毛细管插入溶液中后产生毛细现象，便于观察毛细管中界面的变化情况；
所述底座，用于将毛细实验装置固定在透明器皿中，使毛细实验装置与透明器皿保持相对静止的状态。
5.根据权利要求4所述的利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，其特征在于，所述透明器皿为烧杯；所述带颜色的溶液为滴入带颜色的水溶液。
6.根据权利要求4所述的利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，其特征在于，所述毛细管固定装置包括两个平行板；平行板之间由两个可调节高度的固定托来固定；所述两个平行板在相同位置开有与毛细管尺度相同的小孔，用于将毛细管垂直固定在一定高度；同时两个平行板中下方的平行板还用于密封毛细实验装置。
7.根据权利要求6所述的利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，其特征在于，使用胶带或胶枪将下方的平行板和透明器皿固定在一起。
8.根据权利要求4所述的利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，其特征在于，所述双向弹簧可调卡具为可拆卸卡具，两侧均设置一个支撑盘；其中一个支撑盘外表面呈凸面，另一个支撑盘外表面呈凹面，用于分别顶住毛细实验装置透明器皿的外侧和实验舱的内侧；
两个支撑盘的内表面之间设置有弹簧和长度调节器，用于使双向弹簧可调卡具处于设定长度。
9.根据权利要求1所述的利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的系统，其特征在于，所述图像采集装置，包括：摄像设备和电子设备；其中，
所述摄像设备包括多个摄像机；所述多个摄像机放置于实验舱中不同高度的位置上，分别从多个不同的方向对毛细实验装置中的实验对象进行拍摄，包括观察毛细管和烧杯中溶液的液面变化情况，方便实时观察实验现象及后期回看实验过程，并记录微重力环境的时间长度和液面爬升速度；
所述电子设备，用于对实验过程进行录制，并为摄像设备提供无线网络，使摄像设备的录像视频能实时地传给电子设备，方便实时观察实验情况，并将实验过程的图像记录在电子设备之中，形成互相备份；
所述摄像系统和电子设备均进行防水处理。
10.一种利用有高度落差的设施进行微重力毛细实验的方法，基于权利要求1-9之一所述的系统实现，所述方法包括：
使用毛细管固定装置将毛细管固定于毛细实验装置中，使毛细管放入毛细实验装置后既能插入溶液面下面，又不与毛细实验装置底、壁接触；
使用双向弹簧可调卡具将系统再固定于实验舱内部，使系统跟随实验舱做自由落体运动；
利用图像采集装置多方位拍摄毛细管中的现象；
根据图像采集装置拍摄的图像研究微重力下的毛细现象。
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