新華社北京６月２０日電（記者白瑞雪、趙薇、任珂）２０日上午舉行的太空授課活動(dòng)中，我國第一位“太空教師”王亞平通過質(zhì)量測(cè)量、單擺運(yùn)動(dòng)、陀螺運(yùn)動(dòng)、水膜和水球等５個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，展示了失重環(huán)境下物體運(yùn)動(dòng)特性、液體表面張力特性等物理現(xiàn)象，并通過視頻通話與地面課堂師生進(jìn)行互動(dòng)交流。
這些美妙的實(shí)驗(yàn)反映了什么樣的物理原理？天地物理特性的差別給航天飛行帶來什么影響，在航天活動(dòng)中有什么樣的應(yīng)用？清華大學(xué)航天學(xué)院副教授王兆魁對(duì)這些問題進(jìn)行了解讀。
實(shí)驗(yàn)一：質(zhì)量測(cè)量——牛頓第二定律
實(shí)驗(yàn)過程：王亞平首先展示兩支完全一樣的彈簧，它們分別固定了兩個(gè)不同質(zhì)量的物體。畫面顯示，兩個(gè)彈簧平衡在同一位置，無法測(cè)量出物體的質(zhì)量差別。隨后，鏡頭轉(zhuǎn)向天宮一號(hào)中用于測(cè)量質(zhì)量的“質(zhì)量測(cè)量儀”。聶海勝把自己固定在支架一端，王亞平輕輕拉開支架，一放手，支架在彈簧的作用下回復(fù)原位。ＬＥＤ屏顯示出聶海勝的質(zhì)量：７４公斤。王亞平解釋說，質(zhì)量測(cè)量儀通過彈簧產(chǎn)生力并測(cè)出力的加速度，然后根據(jù)牛頓第二定律就可以算出質(zhì)量。
專家解讀：這個(gè)實(shí)驗(yàn)生動(dòng)地說明了牛頓第二定律的基本原理——“物體加速度的大小跟物體受到的作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比。”這是一個(gè)在一切慣性空間內(nèi)普遍適用的基本物理定律，不因物體的引力環(huán)境、運(yùn)動(dòng)速度而改變，因此在太空和地面都是成立的。
在地球表面，由于受到地球引力的作用，物體的質(zhì)量體現(xiàn)為重量。物體懸掛在彈簧秤上時(shí)，彈簧的拉力和物體受到的地球引力達(dá)到平衡，因此可以從彈簧秤的讀數(shù)中得到物體的重量。而在繞地球高速運(yùn)動(dòng)的飛船里，地球引力被飛船的離心力所平衡，飛船內(nèi)部不再有地球引力的影響，也就沒有了重量的概念，因此彈簧秤就沒有讀數(shù)。
天宮一號(hào)里的“質(zhì)量測(cè)量儀”直接運(yùn)用了牛頓第二定律，利用作用力和物體加速度的關(guān)系確定物體的質(zhì)量。這個(gè)原理在航天活動(dòng)中有著廣泛的應(yīng)用。例如，航天器的燃料消耗一段時(shí)間后，總質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，可能影響軌道控制的精確度。這時(shí)就可以開啟推力器并同時(shí)測(cè)量航天器的加速度，從而計(jì)算出航天器的質(zhì)量。
實(shí)驗(yàn)二：單擺運(yùn)動(dòng)——太空失重
實(shí)驗(yàn)過程：Ｔ形支架上，細(xì)繩拴著一顆小鋼球。這是物理課上常見的實(shí)驗(yàn)裝置——單擺。王亞平把小球拉升到一定高度后放手，小球并沒有像在地面那樣往復(fù)擺動(dòng)，而是懸停在了半空中。王亞平用手指輕推小球，小球開始繞著Ｔ形支架的軸心做圓周運(yùn)動(dòng)。
專家解讀：實(shí)驗(yàn)中小球沒有來回?cái)[動(dòng)、而是懸浮或者做圓周運(yùn)動(dòng)，是太空中的失重現(xiàn)象導(dǎo)致的。在地面上，一旦松手，在地球重力的作用下，小球會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，而由于小球被細(xì)繩連接在支架上，它就會(huì)被細(xì)繩牽著來回?cái)[動(dòng)。但太空中沒有重力作用，小球只會(huì)在原地懸浮。同樣因?yàn)橹亓Νh(huán)境的不同，在太空中輕輕推小球一下，小球會(huì)在細(xì)繩的牽引下做圓周運(yùn)動(dòng)。而在地面上，需要給小球足夠大的初速度，才能使它克服地球重力的阻礙，實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)。
失重是空間與地面環(huán)境最重要的差別之一。它雖然給飛行生活帶來很多有趣的體驗(yàn)，但也會(huì)妨礙航天員在艙內(nèi)的操作，同時(shí)對(duì)航天員的心血管系統(tǒng)和肌肉、骨骼系統(tǒng)帶來不利影響。針對(duì)這個(gè)問題，航天醫(yī)學(xué)專家研究出很多醫(yī)學(xué)防護(hù)措施，航天員也會(huì)在航天器中通過主動(dòng)鍛煉來增強(qiáng)心血管和肌肉功能。
實(shí)驗(yàn)三：陀螺運(yùn)動(dòng)——角動(dòng)量守恒
實(shí)驗(yàn)過程：王亞平取出一個(gè)紅黃相間的陀螺懸放在空中。用手輕推陀螺頂部，陀螺翻滾著飛向遠(yuǎn)處。緊接著，她又取出一個(gè)一模一樣的陀螺，讓它旋轉(zhuǎn)起來，懸浮在半空中，再用手輕輕一推，旋轉(zhuǎn)的陀螺不再翻滾，而是保持著固定的軸向向前飛去。
專家解讀：轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺具有定軸性，定軸性遵守角動(dòng)量守恒原理——在沒有外力矩作用的情況下，物體的角動(dòng)量會(huì)保持恒定。航天員瞬時(shí)施加的干擾力不能產(chǎn)生持續(xù)的力矩，由于角動(dòng)量守恒，旋轉(zhuǎn)陀螺的旋轉(zhuǎn)軸就不會(huì)發(fā)生很大改變。而這一點(diǎn)在地面上之所以很難實(shí)現(xiàn)，并不是因?yàn)榻莿?dòng)量守恒定理不成立，而是因?yàn)橥勇菖c地面摩擦產(chǎn)生的干擾力矩等因素改變了陀螺的角動(dòng)量，使其旋轉(zhuǎn)速度逐漸降低，不能很好地保持旋轉(zhuǎn)方向。
利用角動(dòng)量守恒定律，我們可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的定向控制?；谕勇葜赶蚍€(wěn)定性特點(diǎn)制成的陀螺儀，還被廣泛用于不同領(lǐng)域各種平臺(tái)的穩(wěn)定控制。雪鐵龍Ｃ６轎車上就安裝了測(cè)量車身縱向和橫向擺動(dòng)的陀螺傳感器，可以實(shí)現(xiàn)車身穩(wěn)定度的控制。
實(shí)驗(yàn)四五：制作水膜、水球——液體表面張力
實(shí)驗(yàn)過程：王亞平把一個(gè)金屬圈插入飲用水袋中，慢慢抽出金屬圈，形成了一個(gè)水膜?；蝿?dòng)金屬圈，水膜也沒有破裂；往水膜表面貼上一片畫有中國結(jié)圖案的塑料片，水膜依然完好。她接著做了第二個(gè)水膜，用飲水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快變成一個(gè)亮晶晶的大水球。再向水球內(nèi)注入空氣，水球內(nèi)形成兩個(gè)球形氣泡，既沒有被擠出水球，也沒有融合到一起。最后，王亞平注入紅色液體，紅色慢慢擴(kuò)散開來，把水球變成了一枚美麗的“紅燈籠”。
專家解讀：這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均展示了液體表面張力的作用。受到內(nèi)部分子的吸引，液體表面分子有被拉入內(nèi)部的趨勢(shì)，導(dǎo)致表面就像一張繃緊的橡皮膜，這種促使液體表面收縮的繃緊的力，就是表面張力。
表面張力現(xiàn)象在日常生活中非常普遍，比如草葉上的露珠、空氣中吹出的肥皂泡等。地球引力使得肥皂泡上方變薄破裂而無法長久存在，而太空中的液體處于失重狀態(tài)，表面張力不僅大顯身手，還決定了液體表面的形狀。水膜實(shí)驗(yàn)中，表面張力使水膜像橡皮膜一樣搭在金屬環(huán)里，并且比地面上形成的水膜面積更大、存在時(shí)間更長。同樣，由于沒有重力影響，航天員向水膜上不斷注入水時(shí)，這些水就能夠均勻分布在水膜周圍，逐漸形成水球。
液體表面張力在航天活動(dòng)中有重要應(yīng)用。失重環(huán)境下，航天器推進(jìn)劑貯箱中的液體燃料界面和氣體界面不再是穩(wěn)定的，可能產(chǎn)生液體遷移、氣液混合等現(xiàn)象，導(dǎo)致推進(jìn)劑無法正常供應(yīng)。因此，科學(xué)家們制造了表面張力貯箱，利用表面張力推動(dòng)液體推進(jìn)劑流動(dòng)，為動(dòng)力系統(tǒng)提供滿足要求的推進(jìn)劑。
