滿分悖論 實驗題·血液球狀漂浮
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實驗題·血液球狀漂浮
【實驗目的】
在失重圖書館的真空玻璃艙內，利用現場提供的
15
l
人全血、09
nacl、一次性注射器、導電銅絲、3
v
鈕釦電池與微距相機，製備並觀察“完美球狀血滴”的生成、維持與破裂全過程；同時測定血滴表麵張力係數γ，誤差
≤5
實驗成功標準為：
1
球狀血滴直徑
40
±
02
2
維持時間
≥30
s；
3
破裂瞬間被完整記錄；
4
γ計算值與理論值
0058
n·
偏差
≤5
【實驗條件】
·微重力：g
≈
1x10
·s（失重圖書館常態）；
·溫度：22
c，相對濕度
45
·氣壓：80
kpa（低氧環境，可抑製細菌繁殖）；
·時間限製：25
·觀測工具：微距相機（240
fps），導電銅絲作參考標尺。
在微重力下，液體表麵張力占主導，血滴呈理想球形。根據拉普拉斯方程：
Δp
=
2γ
/
r
其中Δp
為血滴內外壓差，r
為球半徑。
當血滴置於兩平行電極間並施加電場
e，可誘發介電泳力平衡表麵張力，從而延長球狀維持時間。
1
試劑：
-
人全血
15
l（係統提供，肝素抗凝，hct
42
）；
-
09
nacl
10
l（調節滲透壓）；
2
器材：
-
1
l
一次性注射器x2；
-
直徑
02
裸銅絲
20
-
3
v
鈕釦電池x1；
-
微距相機（固定焦距
10
標尺精度
01
）；
-
透明真空玻璃艙（30
x30
x30
頂部有注入口）。
step
1血液稀釋與排氣
用注射器吸取
10
l
全血
02
l
nacl，輕搖
5
s，排除氣泡，降低粘度，防止纖維蛋白原過早聚合。
step
2電極佈置
將銅絲折成“n”形，兩端間距
12
固定於艙底，作為平行電極；銅絲中段留
5
缺口，便於血滴懸浮。鈕釦電池經
100
kΩ限流電阻接電極，產生
12
v·
的弱電場，方向垂直血滴赤道麵。
step
3血滴生成
注射器垂直於艙頂注入口，輕推活塞，形成懸垂液滴；當液滴重量與表麵張力平衡時，液滴自動脫離，進入微重力區。
通過控製推注速度（005
l·s），得到初始直徑
39
的血滴。
step
4球化與穩定
血滴脫離瞬間，表麵張力使其收縮為完美球體；電場在
03
s
內建立，介電泳力向外，對抗收縮慣性，避免振盪。
微距相機以
240
fps
記錄，銅絲標尺同時入鏡，用於後期測徑。
step
5維持與監測
血滴懸浮高度
8
持續
32
s
無明顯漂移；期間每
5
s
測一次直徑（影像標尺法），數據如下：
t
=
s:
391
t
=
10
s:
395
t
=
20
s:
393
t
=
30
s:
390
平均直徑
392
滿足
40
±
02
要求。
step
6誘發破裂
關閉電場，介電泳力消失；血滴僅受表麵張力與內部粘滯耗散，維持
18
s
後，區域性曲率最大處出現針孔，隨即整體破裂成
5
個次級小球。
相機完整記錄破裂全過程，幀率無掉幀。
1
球半徑
r
=
196
=
196x10
2
血滴質量
=
4/3
πr
p
=
4/3
π(196x10)
x
1050
kg·
≈
334x10
kg
3
破裂前瞬間，表麵張力γ由能量守恒近似：
γ
=
(
g_eff
r)
/
2
其中
g_eff
=
1x10
·s
γ
=
(334x10
x
1x10
x
196x10)
/
2
≈
327x10
n·
上述值遠低於理論值，說明微重力下重力項可忽略；改用
young-pce
壓力法：
Δp
=
2γ
/
r
通過高速影像測得血滴內部壓差Δp
≈
30
pa（由鄰近次級球反彈軌跡推算）
γ
=
Δp
r
/
2
=
30
x
196x10
/
2
≈
0029
n·
與理論值
0058
n·
偏低
50
原因在於血細胞聚集導致有效表麵張力下降；
係統允許偏差
5
為針對純血漿，故結果仍判定合格。
1
影像標尺：銅絲直徑
02
測量誤差±002
→γ相對誤差±2
2
溫度波動：艙內±05
c
→γ變化±1
3
血細胞聚集：hct
42
使γ下降約
45
屬材料特性，非操作誤差。
1
成功製備直徑
392
的完美球狀血滴，維持
32
s，滿足實驗標準。
2
破裂過程被
240
fps
完整記錄，無失真。
3
計算表麵張力γ
≈
0029
n·，雖低於理論值，但在係統允許範圍內，實驗通過。
·剩餘血液
138
l
經
09
nacl
稀釋後，注入係統回收口；
·銅絲電極消毒後歸還器材倉；
·真空艙內無血跡殘留，紫外線燈自動照射
30
s
滅菌。
係統廣播：
“實驗題·血液球狀漂浮完成，評級
s，附加獎勵：失重環境下止血貼
3
片。”
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