□文/南京信息工程大學教授、博導 劉玉柱
南京信息工程大學 金鑫
2023 年9 月21 日15 時45 分,“天宮課堂”第四課準時開講。本次太空授課活動繼續(xù)采取天地互動的方式進行。景海鵬、朱楊柱、桂海潮3 位航天員老師演示了球形火焰實驗、奇妙“乒乓球”實驗、動量守恒實驗以及又見陀螺實驗,并與地面課堂進行了互動交流。就讓我們一起走進這全新的太空教室——夢天實驗艙,探尋第四課中的奧妙所在吧!
不知道大家是否觀察過,在地面上,無論在哪里豎直點火,火焰都會呈現(xiàn)一個“底部寬、頂部尖”的錐形。如果在空間站的微重力環(huán)境中點火,火焰的形狀還會與地面上的一樣嗎?
球形火焰實驗就可以解決我們心中的疑惑。桂海潮老師在空間站中點燃蠟燭,與地面老師點燃的蠟燭形成對照。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。為什么會有這樣的差別呢?
在地面上,火焰燃燒時,火焰周圍的空氣會因受熱膨脹而向上運動,外圍的冷空氣則向下運動,從而形成浮力對流。火焰周圍的熱空氣在上升流動的過程中,會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,燃燒后的氣體不會全部向上運動,而是向著各個方向運動,火焰旁的浮力對流會非常弱,導致空氣流動匯聚的量很少。所以,在空間站進行火焰實驗時,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色。要知道,只有在燃燒溫度低時,火焰才會偏藍色;而在燃燒溫度高時,火焰會偏黃色。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,火焰燃燒溫度也會更低一些,火焰就偏藍色了。
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
水是我們?nèi)粘I钪凶詈啽愕膶嶒瀸ο笾?,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的實驗。聯(lián)系之前所學的知識,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,朱楊柱老師過來了,他手里拿著一個白色的球拍。這個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動時擦汗用的干毛巾。大家可能會覺得,水球肯定會被毛巾吸收呀,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,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?這是因為除了表面張力使水球不容易破裂,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構,有很好的疏水性能,水分子在接觸時并不會被吸收,而會被疏水的微納結構抵制在外。
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?這是因為大家在擦汗或吸水時進行了擠壓,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。
同學們有沒有聽過動量守恒這個物理學定律呢?它主要是描述物體的質(zhì)量和速度如何影響其運動的一個定律。在我們的生活中,動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,老師為了演示動量守恒定律,往往需要借助氣墊導軌等輔助工具,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量守恒定律。
天地互動 腦洞大開
在天地互動的提問環(huán)節(jié),地面課堂的同學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,我們的科研人員會利用科技手段時刻盯著它們的一舉一動,一旦對空間站產(chǎn)生威脅,我們就會采取相應的措施,比如進行主動規(guī)避等。同時,我們的空間站還有一些特殊的防護裝備,就好像穿了一副鎧甲,即使碰到空間碎片,我們也會安然無恙。
相同的兩個鋼球發(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計了各種有效的防護措施,比如我們穿的企鵝服、梯度加壓褲等。另外,我們每天都會進行體育鍛煉,大的設備有太空跑臺、太空自行車等,小的設備有拉力器、握力器、呼吸鍛煉器等。這些設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。
桂海潮老師先準備了一塊1 米見方的標準網(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動軌跡是不是一條直線。接著,桂老師拿出一個500 克的鋼球,把它放到網(wǎng)格布前方。然后,桂老師又拿出一個一模一樣的鋼球,準備拋出去水平碰撞靜止的球,以此驗證動量守恒定律。
在兩個球碰撞之后,運動的球靜止了,而原本靜止的球開始運動,兩球之間產(chǎn)生了速度交換,完全符合地面上的實驗規(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)的實驗現(xiàn)象都與地面上的碰撞現(xiàn)象相同,并且都滿足動量守恒定律。因此,我們可以發(fā)現(xiàn):動量是物體本身的一種屬性,與所處環(huán)境無關;物體的動量并不會因為處于微重力環(huán)境中就發(fā)生改變。
相信大家都對之前王亞平老師演示的陀螺定軸性實驗、葉光富老師的太空轉身實驗以及陳冬老師手上“會掉頭”的扳手印象深刻。這3 個實驗,均涉及一個相同的知識點——角動量守恒。這次的又見陀螺實驗,也與角動量守恒密切相關。
桂海潮老師準備了一個陀螺來做轉身實驗,實驗包含兩個部分,可以相互對照。首先是第一個部分,陀螺靜止、沒有轉起來時,桂老師握住陀螺的兩側,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;接下來的第二個部分中,陀螺開始自轉,這時桂老師握住陀螺并且改變陀螺的左、右方向,結果他也相對應地發(fā)生了轉身。這背后的原理是什么呢?
演示動量守恒定律 供圖/中國載人航天工程辦公室
我們知道,力矩是物體角動量發(fā)生改變的原因。在第一個演示中,陀螺靜止,沒有轉動,它的角動量為零,所以在改變它的方向時,它的角動量和桂老師自身的角動量基本不變。而在第二個演示中,陀螺快速自轉,具有了比較大的角動量,這時桂老師改變陀螺的方向,陀螺的角動量就發(fā)生了顯著變化,相應地,陀螺對桂老師的手就產(chǎn)生了比較大的反作用力矩。這個力矩讓桂老師自身的角動量發(fā)生了改變,從而使他實現(xiàn)了轉身。
同學們,你們知道本次的開課時間為什么選在9 月21 日嗎?這背后其實意味深長。選在這一天,是為了紀念中國載人航天工程在1992年9 月21 日正式立項,它是我國空間科學實驗的重大戰(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)行飛行任務的航天員。
看到這兒,很多同學是不是也心動啦?沒錯!這正表明了往后會有更多領域的人才擁有上天追夢的機會,去探索浩瀚宇宙,去追逐科學真理。但是,請同學們記住,要想去太空“做客”,提升自己的知識水平和身體素質(zhì),一項都不能少哦!