晃动的茶水喘息的狗和空间交会对接

　　很多人都有过这样的经历，每当遇到问题的时候，都会给自己泡一杯茶，然后端着茶杯，慢慢地在房间里走动，寻找思路。不过，大家有没有想过，为什么端着满满一杯茶就必须要慢慢地走呢？
　　也许你正在嘲笑我，老郭你傻了啊，任何一个正常人，端着满满的一杯水都会慢慢走，走快的话，水就漾出来了呗。作为一个物理专业的科普作者当然不会满足于这样一个不严谨的答案，咱们一起来做个实验，探究一下摇晃的水杯中的水究竟发生了什么？
　　在一个平坦光滑的桌面上，放一杯茶水，轻轻推动茶杯，让它在桌面上从静止开始滑动，杯中的水立刻开始荡漾。
　　由于物体都有惯性，所以当杯子开始移动的时候，水还停留在原地，所以水会沿着杯子的内壁上升。这样杯子中一侧的水面就会高于另一侧，在重力的作用下，高处的水会向低处流动，所以另一侧的水面也会抬升，但总会有那么一瞬间，杯子中的水恢复到水平。
　　同样由于惯性，已经开始运动的水，没有理由停下来，它需要继续运动一点时间才能静止，等到水停止运动，另一侧的水面又比原来那侧更高，于是再次开始运动。如果我们推动杯子后就放手，杯子再次静止在桌面上，则杯中的水最后会慢慢平复下来，最后重新恢复平衡。
　　更换不同的杯子，重复上面的实验过程，你会发现，水面荡漾的过程都差不多。不同的是，小杯中的水晃得快，大杯里的水晃得慢。不论你用多大的力推动杯子，同一个杯子中的水荡漾的频率都是相同的。影响荡漾频率的是杯子的形状和大小。
　　如果觉得上面的实验仍然太粗糙了，当然也可以选择专业的设备，对不同的水杯进行相关参数的测量，比如固有频率和阻尼等，通过这些测量得到的数值来了解真实的液体晃动特性以及外界因素变化对其造成的影响。只不过，大多数人都没有这样的条件。
　　相同杯子中的水的荡漾频率总是相同这个现象叫做固有频率。当我们端着装满水的杯子走路的时候总会对杯子造成晃动影响，如果这种晃动正好与杯中水的固有频率接近，那么水很快就会漾出来。这种现象叫做共振。走得越快，则对杯子的晃动频率与杯中水的固有频率就越接近，所以走快了，水就很容易漾出来。
　　所有的物体都有自己的固有频率，固有频率只与物体本身的特性有关，与外界条件（比如推力、运动速度）无关。有些共振是有害的，比如当士兵队列走上大桥，就需要改成便步走，防止齐步走的频率与桥梁的固有频率一致，产生共振导致桥梁垮塌。
　　不止人类会利用固有频率，有些动物也会利用固有频率，比如狗可以利用肺部的共振来完成散热。人类流汗是通过身体上的汗腺排出汗液，起到降温的作用。但狗的汗腺要比人的汗腺少得多，所以，狗狗从表面上来看像是不出汗一样。
　　狗的主要散热方式是张开嘴，伸出舌头，大口大口地喘气，这样做可以分泌大量的唾液来代替汗水。狗通过使唾液蒸发来散发热量，降低体温。它们大量地流口水，通过口水蒸发吸热来降低体温。
　　仔细观察激烈运动之后的狗，你会发现，它们的呼吸频率非常高。体型越小的狗，散热的时候，其呼吸频率越高，差不多每秒3次左右，而安静状态下，成人的呼吸频率大约4秒钟1次，儿童的呼吸大约是23秒1次。很显然，狗在散热状态的呼吸频率让我们感觉非常急促，好像非常费力的样子。
　　事实上并非如此，狗肺舒张和收缩的固有频率就是在每秒3次左右，所以狗在喘息着散热的时候，其实只需要一点点力气。只不过，这种喘息不能让肺部彻底完成与外界的气体交换，不能通过这种方法获得更多的氧气。
　　对于小体型的哺乳动物来说，其肺部的固有频率非常高，所以通过喘气来散热效率很高。但对于体型比较大的动物来说，肺部的固有频率就比较低，就无法通过喘气来完成全部的热量交换，所以人类和其它体型比较大的生物都进化出来通过流汗散热的方式。
　　每个物体都有自己的固有频率，振动的模式也不止一种，同一物体通常有多个固有频率，物体越大，它的固有频率就越低。相对来说，杯中水的固有频率只是限制了我们移动的脚步，但是液体的振荡如果发生在航天器中，就会带来很大的麻烦。
　　航天器有很多的储液箱，箱中的液体如果发生晃动就会对航天器的结构强度和运动稳定性造成影响，特别是在机动变轨、空间交会对接、软着陆等情况下，液体可能出现破坏性很强的大幅度非线性晃动。
　　随着航天技术的不断发展，液体燃料占航天器总质量的比重不断增大，而同时用户对航天器的姿态控制及轨道控制精度的要求也越来越高，在航天器总体及控制系统的设计过程中必须考虑储箱中液体晃动的影响。
　　我喜欢物理学，因为它很有意思，就像本文讲述的晃动的茶水、喘息的狗和空间交会对接，表面上这几个毫无关联的事情，背后竟然要遵循相同的物理定律。不知道各位读者，您有没有受到什么启发呢？如果有，欢迎您在下面的评论区中留言。
　　文郭哥聊科学，图片来自网络，侵删。