□文/南京信息工程大學(xué)教授、博導(dǎo) 劉玉柱

南京信息工程大學(xué) 金鑫

2023 年9 月21 日15 時(shí)45 分，“天宮課堂”第四課準(zhǔn)時(shí)開講。本次太空授課活動(dòng)繼續(xù)采取天地互動(dòng)的方式進(jìn)行。景海鵬、朱楊柱、桂海潮3 位航天員老師演示了球形火焰實(shí)驗(yàn)、奇妙“乒乓球”實(shí)驗(yàn)、動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)以及又見陀螺實(shí)驗(yàn)，并與地面課堂進(jìn)行了互動(dòng)交流。就讓我們一起走進(jìn)這全新的太空教室——夢天實(shí)驗(yàn)艙，探尋第四課中的奧妙所在吧！

浮力對流的奧秘——球形火焰實(shí)驗(yàn)

不知道大家是否觀察過，在地面上，無論在哪里豎直點(diǎn)火，火焰都會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)“底部寬、頂部尖”的錐形。如果在空間站的微重力環(huán)境中點(diǎn)火，火焰的形狀還會(huì)與地面上的一樣嗎？

球形火焰實(shí)驗(yàn)就可以解決我們心中的疑惑。桂海潮老師在空間站中點(diǎn)燃蠟燭，與地面老師點(diǎn)燃的蠟燭形成對照。我們可以很明顯地看到，空間站中蠟燭的火焰近似球形，而在地面上，豎直狀態(tài)下蠟燭的火焰呈錐形。為什么會(huì)有這樣的差別呢？

在地面上，火焰燃燒時(shí)，火焰周圍的空氣會(huì)因受熱膨脹而向上運(yùn)動(dòng)，外圍的冷空氣則向下運(yùn)動(dòng)，從而形成浮力對流?；鹧嬷車臒峥諝庠谏仙鲃?dòng)的過程中，會(huì)慢慢地在火焰的頂端匯聚，從而形成火焰的“尖端”。但是，在空間站中，由于微重力的影響，這種浮力對流大大減弱，燃燒后的氣體不會(huì)全部向上運(yùn)動(dòng)，而是向著各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，火焰旁的浮力對流會(huì)非常弱，導(dǎo)致空氣流動(dòng)匯聚的量很少。所以，在空間站進(jìn)行火焰實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們看到的火焰更接近于球形，而不是地面上的錐形。

此外，同學(xué)們可能還發(fā)現(xiàn)了，與地面上的火焰相比，空間站中的火焰顏色更偏藍(lán)色。要知道，只有在燃燒溫度低時(shí)，火焰才會(huì)偏藍(lán)色；而在燃燒溫度高時(shí)，火焰會(huì)偏黃色。這一現(xiàn)象的原因也是我們上文提到的空間站中浮力對流十分微弱，所以火焰周圍參與燃燒的氧氣少，蠟燭的燃燒不充分，火焰燃燒溫度也會(huì)更低一些，火焰就偏藍(lán)色了。

蠟燭在微重力環(huán)境中燃燒的球形火焰現(xiàn)象 供圖/中國載人航天工程辦公室

太空之中秀球技——奇妙“乒乓球”實(shí)驗(yàn)

水是我們?nèi)粘Ｉ钪凶詈啽愕膶?shí)驗(yàn)對象之一，同樣也是“天宮課堂”里的“常駐嘉賓”，這次上課自然也少不了與水相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。聯(lián)系之前所學(xué)的知識，我們知道水在空間站中都是以球狀的形式出現(xiàn)的，這里的“乒乓球”實(shí)際上就是水球。

在空間站中，如何能像打乒乓球一樣打水球呢？

用普通球拍擊打“乒乓球” 供圖/中國載人航天工程辦公室

桂海潮老師首先嘗試用普通的乒乓球拍去擊打水球，然而，水球直接沾在了球拍的表面，并沒有像乒乓球一樣彈開。這時(shí)，朱楊柱老師過來了，他手里拿著一個(gè)白色的球拍。這個(gè)球拍有什么特殊之處呢？奧妙就在于球拍表面包裹了大家運(yùn)動(dòng)時(shí)擦汗用的干毛巾。大家可能會(huì)覺得，水球肯定會(huì)被毛巾吸收呀，何談“打乒乓球”呢？但是，神奇的一幕出現(xiàn)了，水球在碰到干毛巾包裹的球拍時(shí)，既沒有被毛巾吸收，也沒有沾在毛巾表面，而是像乒乓球一樣彈開了！就這樣，兩位老師你來我往地打起了“水球版”乒乓球賽。

那么，問題來了，為什么用來擦汗的干毛巾并不吸水，甚至能將水球彈開，而普通的乒乓球拍就不行呢？這是因?yàn)槌吮砻鎻埩κ顾虿蝗菀灼屏?，毛巾的表面還布滿了疏水的微絨毛，這些微絨毛形成了微納結(jié)構(gòu)，有很好的疏水性能，水分子在接觸時(shí)并不會(huì)被吸收，而會(huì)被疏水的微納結(jié)構(gòu)抵制在外。

問題又來了，干毛巾表面既然有疏水性，為什么又可以吸汗、吸水呢？這是因?yàn)榇蠹以诓梁够蛭畷r(shí)進(jìn)行了擠壓，將水壓到了微絨毛下面的纖維縫隙之中，水就被里面的纖維吸收了。

鋼球碰撞引出大道理——?jiǎng)恿渴睾銓?shí)驗(yàn)

同學(xué)們有沒有聽過動(dòng)量守恒這個(gè)物理學(xué)定律呢？它主要是描述物體的質(zhì)量和速度如何影響其運(yùn)動(dòng)的一個(gè)定律。在我們的生活中，動(dòng)量守恒定律也有很多體現(xiàn)，例如汽車的安全氣囊和碰撞緩沖裝置等。在地面上，老師為了演示動(dòng)量守恒定律，往往需要借助氣墊導(dǎo)軌等輔助工具，來盡量減少重力等因素的影響。在空間站的微重力環(huán)境中，我們則可以用更簡單、更直接的方法來演示動(dòng)量守恒定律。

天地互動(dòng) 腦洞大開

在天地互動(dòng)的提問環(huán)節(jié)，地面課堂的同學(xué)們又提出了哪些問題？航天員老師又是如何解答的呢？

空間站上能看見太空垃圾嗎

景海鵬老師回答道：我們通常把太空垃圾叫作“太空碎片”“空間碎片”，它們的數(shù)量不少，對空間站的危害也不小。其實(shí)和大家一樣，我們也非常好奇，經(jīng)常通過空間站的舷窗去看，甚至還用望遠(yuǎn)鏡去找。但是，到目前為止，我們還沒有發(fā)現(xiàn)太空垃圾的蹤影。不過，我們的科研人員會(huì)利用科技手段時(shí)刻盯著它們的一舉一動(dòng)，一旦對空間站產(chǎn)生威脅，我們就會(huì)采取相應(yīng)的措施，比如進(jìn)行主動(dòng)規(guī)避等。同時(shí)，我們的空間站還有一些特殊的防護(hù)裝備，就好像穿了一副鎧甲，即使碰到空間碎片，我們也會(huì)安然無恙。

相同的兩個(gè)鋼球發(fā)生水平碰撞 供圖/中國載人航天工程辦公室

如何對抗失重對人體的不利影響

朱楊柱老師回答道：科研人員幫我們精心設(shè)計(jì)了各種有效的防護(hù)措施，比如我們穿的企鵝服、梯度加壓褲等。另外，我們每天都會(huì)進(jìn)行體育鍛煉，大的設(shè)備有太空跑臺(tái)、太空自行車等，小的設(shè)備有拉力器、握力器、呼吸鍛煉器等。這些設(shè)備可以有效地防止肌萎縮和骨丟失，對抗失重帶來的不利影響。

桂海潮老師先準(zhǔn)備了一塊1 米見方的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格布，上面布滿了相同大小的方格，這可以用來衡量鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡是不是一條直線。接著，桂老師拿出一個(gè)500 克的鋼球，把它放到網(wǎng)格布前方。然后，桂老師又拿出一個(gè)一模一樣的鋼球，準(zhǔn)備拋出去水平碰撞靜止的球，以此驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。

在兩個(gè)球碰撞之后，運(yùn)動(dòng)的球靜止了，而原本靜止的球開始運(yùn)動(dòng)，兩球之間產(chǎn)生了速度交換，完全符合地面上的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

接下來，兩位老師又分別演示了100 克小鋼球水平撞向500 克大鋼球以及500 克大鋼球水平撞向100 克小鋼球。最后出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都與地面上的碰撞現(xiàn)象相同，并且都滿足動(dòng)量守恒定律。因此，我們可以發(fā)現(xiàn)：動(dòng)量是物體本身的一種屬性，與所處環(huán)境無關(guān)；物體的動(dòng)量并不會(huì)因?yàn)樘幱谖⒅亓Νh(huán)境中就發(fā)生改變。

四兩撥千斤——又見陀螺實(shí)驗(yàn)

相信大家都對之前王亞平老師演示的陀螺定軸性實(shí)驗(yàn)、葉光富老師的太空轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)以及陳冬老師手上“會(huì)掉頭”的扳手印象深刻。這3 個(gè)實(shí)驗(yàn)，均涉及一個(gè)相同的知識點(diǎn)——角動(dòng)量守恒。這次的又見陀螺實(shí)驗(yàn)，也與角動(dòng)量守恒密切相關(guān)。

桂海潮老師準(zhǔn)備了一個(gè)陀螺來做轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)包含兩個(gè)部分，可以相互對照。首先是第一個(gè)部分，陀螺靜止、沒有轉(zhuǎn)起來時(shí)，桂老師握住陀螺的兩側(cè)，在改變陀螺方向的過程中，我們可以看到他的身體姿態(tài)并沒有發(fā)生明顯改變；接下來的第二個(gè)部分中，陀螺開始自轉(zhuǎn)，這時(shí)桂老師握住陀螺并且改變陀螺的左、右方向，結(jié)果他也相對應(yīng)地發(fā)生了轉(zhuǎn)身。這背后的原理是什么呢？

演示動(dòng)量守恒定律 供圖/中國載人航天工程辦公室

我們知道，力矩是物體角動(dòng)量發(fā)生改變的原因。在第一個(gè)演示中，陀螺靜止，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，它的角動(dòng)量為零，所以在改變它的方向時(shí)，它的角動(dòng)量和桂老師自身的角動(dòng)量基本不變。而在第二個(gè)演示中，陀螺快速自轉(zhuǎn)，具有了比較大的角動(dòng)量，這時(shí)桂老師改變陀螺的方向，陀螺的角動(dòng)量就發(fā)生了顯著變化，相應(yīng)地，陀螺對桂老師的手就產(chǎn)生了比較大的反作用力矩。這個(gè)力矩讓桂老師自身的角動(dòng)量發(fā)生了改變，從而使他實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)身。

同學(xué)們，你們知道本次的開課時(shí)間為什么選在9 月21 日嗎？這背后其實(shí)意味深長。選在這一天，是為了紀(jì)念中國載人航天工程在1992年9 月21 日正式立項(xiàng)，它是我國空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重大戰(zhàn)略工程之一，也是我國航天史上的里程碑！

此外，這次主講的兩位“新面孔”老師其實(shí)并不是專職航天員出身。朱楊柱老師是中國空間站首位航天飛行工程師；桂海潮老師是中國空間站首位載荷專家，他也是首位戴眼鏡執(zhí)行飛行任務(wù)的航天員。

看到這兒，很多同學(xué)是不是也心動(dòng)啦？沒錯(cuò)！這正表明了往后會(huì)有更多領(lǐng)域的人才擁有上天追夢的機(jī)會(huì)，去探索浩瀚宇宙，去追逐科學(xué)真理。但是，請同學(xué)們記住，要想去太空“做客”，提升自己的知識水平和身體素質(zhì)，一項(xiàng)都不能少哦！