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导言

在上一期的《伴梦成长系列 | 太空课堂是怎样炼成的？》中，我们知道，2013年6月20日上午我国第一场太空课在指令长聂海胜和摄影师张晓光的协助下，中国首位“太空教师”王亚平为我们开创了首次太空授课。这场太空课由CCTV 1和CCTV 13进行了4小时的全程直播。来自中科院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术院重点实验室的博士研究生钱航当时受邀对太空实验进行解读和诠释。

这场太空课中，王亚平老师通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个实验，展示了微重力环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象，并回答了学生们关于航天器用水、太空垃圾防护、失重对抗和太空景色等问题。

本期我们将介绍这5个具体的实验，以及他们所反映的物理原理和在航天活动和日常生活中的应用。

实验一：太空测质量

天宫一号里的“质量测量仪”直接运用牛顿第二定律。王亚平介绍，太空测重仪通过“弹簧—凸轮”机构产生恒定力，把聂海胜拉回到初始位置。就测得聂海胜撞向一个平面时的速度v，仪器又记录下了时间t，因此根据v＝at计算出加速度a，再根据已知的弹簧回复力F，根据牛顿第二定律公式F＝ma，算出聂海胜的质量74千克。

地面上我们有很多称重的工具：电子秤、弹簧秤、杆秤和天平等。如果我们将这些称重工具都放入赤道使用的话，我们发现电子秤和弹簧秤的读数稍微减小，而杆秤和天平的读数不变。

再极端一些，如果我们将这些测量工具带到月球上去使用的话，会发现：电子秤和弹簧秤的读数大约只有现在的六分之一，而杆秤和天平的读数仍然不变。那么，我们对质量、重力和重量的概念就很清楚了：杆秤和天平测量物体的质量，质量表示的是物体所含物质的量的多少，是物体的本质属性；电子秤和弹簧秤测量的是物体的重量，重量是物体所受万有引力的量的量度，也就是重力的大小。

在地球上对牛顿第二定律直观的感受就是，物体越重，我们推动它就越费劲，而这个性质即使到了天上也不会改变，所以在太空，无论是航天员还是航天器的质量都是通过这个原理来测量的。

实验二：太空单摆实验

平时物理课上最常见的实验装置单摆，也出现在了这次太空授课中。T形支架上，用细绳拴着一颗明黄色的小钢球。王亚平把小球轻轻拉升到一定位置放手，小球并没有出现地面上常见的往复摆动，而是停在了半空中。之后，王亚平又用手指沿切线方向轻推小球，奇妙的现象出现了，小球开始绕着T形支架的轴心做圆周运动。

在地面对比实验中，小球因重力作用下坠，在细绳的拉动下，会做起简谐运动。再给它一个比较大的外力，使小球获得一个较大的初速度，它也会开始圆周运动。但同时，在重力作用下，小球不停地改变运动状态，所以不能像在太空中那样不停地转圈，会很快地停了下来。

而在太空失重条件下，将单摆拉开一个角度，由于没有重力的作用，小球不会像在地面一样发生往复摆动。而给小球一个初速度，失去了重力的小球不是摆动，而是沿切线方向圆周运动。这个实验告诉我们，由于太空环境的特殊性，很多地面上司空见惯的现象在太空却不会发生，比如我们常见的摆钟在太空中就不能使用。

实验三：陀螺实验

王亚平把静止的陀螺悬浮在空中，给它一个干扰力，这时陀螺开始做翻滚运动，轴向发生了很大的变化；但把陀螺先旋转起来，再给它一个干扰力时，陀螺不做翻滚运动了，而是晃动着向前运动。

这实际上是因为高速旋转的陀螺具有很好的定轴性，这一定轴特性在天上地上是完全一样的。太空环境中，静止的陀螺的轴是不固定的，加之没有重力，会翻滚着运动；而一旦旋转运动后，由于是围绕轴运动，即使有干扰力，陀螺仍会稳定旋转。

转动陀螺的定轴性在航空航天领域有非常广的应用，飞机、导弹、火箭和卫星等都大量应用陀螺来测量姿态。很多自旋卫星本身就是利用了这个定轴性。打枪也运用了陀螺的定轴性原理，枪支中的膛线使子弹头产生快速旋转，也就是说使子弹头在飞行中饶自己的轴线快速旋转。因为旋转的物体不容易改变旋转轴线的方向，所以子弹出枪口后在飞行过程中不会翻跟头。如果不是因为旋转子弹头的定轴性，射击中的子弹就会偏离旋转轴线的方向，很容易伤及其周围的人。

实验四：水膜实验

王亚平拿起一个航天员饮用水袋，打开止水夹，水并没有倾泻而出。轻挤水袋，在饮水管端口形成了一颗晶莹剔透的水珠，略微抖动水袋，水珠因为失重便悬浮在半空中。

接着，她把一个金属圈插入装满饮用水的自封袋中，慢慢抽出金属圈，便形成了一个漂亮的水膜。轻轻晃动金属圈，水膜也不会破裂，只是偶尔会甩出几颗小水滴。随后，王亚平又往水膜表面贴上了一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。

这两个实验均展示了液体表面张力的作用。受到内部分子的吸引，液体表面分子有被拉入内部的趋势，导致表面就像一张绷紧的橡皮膜，这种促使液体表面收缩的绷紧的力，就是表面张力，在太空失重状态下，水的表面张力会变大。

太空对我们制造业也将是一个非常有利的环境，我们就可以制作出一个不受重力影响的标准金属球。更甚者，如果内空心金属球就只能在太空中制作了。

实验五：太空水球

王亚平接着做了第二个水膜，用饮水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快变成一个亮晶晶的大水球。这是因为在太空失重环境中没有外力影响，水只有表面张力，在表面张力作用下水会形成一个表面积最小的形状，也就是标准球形。

而在地球上，由于重力作用，水滴下来只能形成液滴状，或者我们清晨看到的绿叶上扁球形的露珠。她再向水球内注入空气，水球内形成两个球形气泡，这也是水表面张力使气泡既没有被挤出水球，也没有融合到一起。

王亚平又用注射器把少许红色液体注入水球，红色液体慢慢扩散开来，晶莹透亮的水球变成了红色水球，令人啧啧称奇。因为没有重力，染料就没有固定去向，因而很快向四面八方均匀扩散。在太空实验中进行材料融合实验，得到的合成材料的分子、原子分布均匀度高于在地球上的情形。这样的太空材料技术今后是否能得到广泛应用，从而为人类制造出更多高品质的合成材料，是非常有趣而有悬念的。

在这次太空授课中，很多在地球上难以完成的实验，在太空却得到了完美呈现，这不仅是场视觉盛宴，更是智慧与文明的传递，或许也让越来越多的人们对太空更加神往！

作者：钱航 中国科学院国家空间科学中心博士 现运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师

联系邮箱：qianhang10@mails.ucas.ac.cn

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