伴夢成長系列 | 太空授課中的5個實驗

在上一期的《伴夢成長系列 | 太空課堂是怎樣煉成的？》中，我們知道，2013年6月20日上午第一場太空課在指令長聶海勝和攝影師張曉光的協助下，首位「太空教師」王亞平為我們開創了首次太空授課。這場太空課由CCTV 1和CCTV 13進行了4小時的全程直播。來自中科院國家空間科學中心複雜航天系統電子信息技術院重點實驗室的博士研究所錢航當時受邀對太空實驗進行解讀和詮釋。

這場太空課中，王亞平老師通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球等5個實驗，展示了微重力環境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現象，並回答了學生們關於航天器用水、太空垃圾防護、失重對抗和太空景色等問題。

本期我們將介紹這5個具體的實驗，以及他們所反映的物理原理和在航天活動和日常生活中的應用。

實驗一：太空測質量

天宮一號里的「質量測量儀」直接運用牛頓第二定律。王亞平介紹，太空測重儀通過「彈簧—凸輪」機構產生恆定力，把聶海勝拉回到初始位置。就測得聶海勝撞向一個平面時的速度v，儀器又記錄下了時間t，因此根據v＝at計算出加速度a，再根據已知的彈簧回復力F，根據牛頓第二定律公式F＝ma，算出聶海勝的質量74千克。

地面上我們有很多稱重的工具：電子秤、彈簧秤、桿秤和天平等。如果我們將這些稱重工具都放入赤道使用的話，我們發現電子秤和彈簧秤的讀數稍微減小，而桿秤和天平的讀數不變。

再極端一些，如果我們將這些測量工具帶到月球上去使用的話，會發現：電子秤和彈簧秤的讀數大約只有現在的六分之一，而桿秤和天平的讀數仍然不變。那麼，我們對質量、重力和重量的概念就很清楚了：桿秤和天平測量物體的質量，質量表示的是物體所含物質的量的多少，是物體的本質屬性；電子秤和彈簧秤測量的是物體的重量，重量是物體所受萬有引力的量的量度，也就是重力的大小。

在地球上對牛頓第二定律直觀的感受就是，物體越重，我們推動它就越費勁，而這個性質即使到了天上也不會改變，所以在太空，無論是航天員還是航天器的質量都是通過這個原理來測量的。

平時物理課上最常見的實驗裝置單擺，也出現在了這次太空授課中。T形支架上，用細繩拴著一顆明黃色的小鋼球。王亞平把小球輕輕拉升到一定位置放手，小球並沒有出現地面上常見的往複擺動，而是停在了半空中。之後，王亞平又用手指沿切線方向輕推小球，奇妙的現象出現了，小球開始繞著T形支架的軸心做圓周運動。

在地面對比實驗中，小球因重力作用下墜，在細繩的拉動下，會做起簡諧運動。再給它一個比較大的外力，使小球獲得一個較大的初速度，它也會開始圓周運動。但同時，在重力作用下，小球不停地改變運動狀態，所以不能像在太空中那樣不停地轉圈，會很快地停了下來。

而在太空失重條件下，將單擺拉開一個角度，由於沒有重力的作用，小球不會像在地面一樣發生往複擺動。而給小球一個初速度，失去了重力的小球不是擺動，而是沿切線方向圓周運動。這個實驗告訴我們，由於太空環境的特殊性，很多地面上司空見慣的現象在太空卻不會發生，比如我們常見的擺鐘在太空中就不能使用。

實驗三：陀螺實驗

王亞平把靜止的陀螺懸浮在空中，給它一個干擾力，這時陀螺開始做翻滾運動，軸向發生了很大的變化；但把陀螺先旋轉起來，再給它一個干擾力時，陀螺不做翻滾運動了，而是晃動著向前運動。

這實際上是因為高速旋轉的陀螺具有很好的定軸性，這一定軸特性在天上地上是完全一樣的。太空環境中，靜止的陀螺的軸是不固定的，加之沒有重力，會翻滾著運動；而一旦旋轉運動后，由於是圍繞軸運動，即使有干擾力，陀螺仍會穩定旋轉。

轉動陀螺的定軸性在航空航天領域有非常廣的應用，飛機、導彈、火箭和衛星等都大量應用陀螺來測量姿態。很多自旋衛星本身就是利用了這個定軸性。打槍也運用了陀螺的定軸性原理，槍支中的膛線使子彈頭產生快速旋轉，也就是說使子彈頭在飛行中饒自己的軸線快速旋轉。因為旋轉的物體不容易改變旋轉軸線的方向，所以子彈出槍口后在飛行過程中不會翻跟頭。如果不是因為旋轉子彈頭的定軸性，射擊中的子彈就會偏離旋轉軸線的方向，很容易傷及其周圍的人。

王亞平拿起一個航天員飲用水袋，打開止水夾，水並沒有傾瀉而出。輕擠水袋，在飲水管埠形成了一顆晶瑩剔透的水珠，略微抖動水袋，水珠因為失重便懸浮在半空中。

接著，她把一個金屬圈插入裝滿飲用水的自封袋中，慢慢抽出金屬圈，便形成了一個漂亮的水膜。輕輕晃動金屬圈，水膜也不會破裂，只是偶爾會甩出幾顆小水滴。隨後，王亞平又往水膜表面貼上了一片畫有結圖案的塑料片，水膜依然完好。

這兩個實驗均展示了液體表面張力的作用。受到內部分子的吸引，液體表面分子有被拉入內部的趨勢，導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，在太空失重狀態下，水的表面張力會變大。

太空對我們製造業也將是一個非常有利的環境，我們就可以製作出一個不受重力影響的標準金屬球。更甚者，如果內空心金屬球就只能在太空中製作了。

王亞平接著做了第二個水膜，用飲水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快變成一個亮晶晶的大水球。這是因為在太空失重環境中沒有外力影響，水只有表面張力，在表面張力作用下水會形成一個表面積最小的形狀，也就是標準球形。

而在地球上，由於重力作用，水滴下來只能形成液滴狀，或者我們清晨看到的綠葉上扁球形的露珠。她再向水球內注入空氣，水球內形成兩個球形氣泡，這也是水表面張力使氣泡既沒有被擠出水球，也沒有融合到一起。

王亞平又用注射器把少許紅色液體注入水球，紅色液體慢慢擴散開來，晶瑩透亮的水球變成了紅色水球，令人嘖嘖稱奇。因為沒有重力，染料就沒有固定去向，因而很快向四面八方均勻擴散。在太空實驗中進行材料融合實驗，得到的合成材料的分子、原子分佈均勻度高於在地球上的情形。這樣的太空材料技術今後是否能得到廣泛應用，從而為人類製造出更多高品質的合成材料，是非常有趣而有懸念的。

在這次太空授課中，很多在地球上難以完成的實驗，在太空卻得到了完美呈現，這不僅是場視覺盛宴，更是智慧與文明的傳遞，或許也讓越來越多的人們對太空更加神往！

作者：錢航 科學院國家空間科學中心博士 現運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師

聯繫郵箱：[email protected]

作者個人訂閱號：星際奇航

國家空間科學中心微信公眾訂閱號（ID：nssc1958）