太空轉(zhuǎn)身不容易

趙二剛 蘭海越

2021 年12 月9 日，“天宮課堂”開課。“神舟”十三號(hào)乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在中國“天宮”空間站為全國青少年學(xué)生上了一堂有“高度”的科普課。在60 分鐘的“天宮課堂”中，航天員們?yōu)榇蠹艺故玖嗽谲壒ぷ魃顖?chǎng)景、太空細(xì)胞學(xué)研究、太空轉(zhuǎn)身、浮力消失、水膜張力、泡騰片等眾多有趣的小實(shí)驗(yàn)。

在這些實(shí)驗(yàn)中，太空轉(zhuǎn)身尤為神奇和令人費(fèi)解。航天員葉光富在完全不接觸艙壁的條件下，嘗試各種方法轉(zhuǎn)身。首先，他想像在地面上那樣左右扭腰直接轉(zhuǎn)身，但當(dāng)上半身向左轉(zhuǎn)時(shí)，下半身卻并未跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，而是向右轉(zhuǎn)去，身體擰在一起，轉(zhuǎn)身失敗。隨后，他又分別嘗試了游泳動(dòng)作轉(zhuǎn)身和吹氣轉(zhuǎn)身等，結(jié)果均不理想。接下來，在王亞平的建議下，葉光富抬起一側(cè)手臂連續(xù)快速劃圈，這時(shí)神奇的一幕出現(xiàn)了——他的身體開始轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)終于成功了。太空轉(zhuǎn)身完成后，葉光富還演示了伸縮手臂與身體自轉(zhuǎn)快慢關(guān)系的小實(shí)驗(yàn)。自轉(zhuǎn)時(shí)他伸開手臂，轉(zhuǎn)速變慢；收縮手臂，轉(zhuǎn)速又會(huì)變快。

在地面上一個(gè)平平常常的轉(zhuǎn)身動(dòng)作，為何在太空微重力環(huán)境下卻如此大費(fèi)周章呢？其實(shí)這些現(xiàn)象都與物理概念——角動(dòng)量及角動(dòng)量守恒有著密切的關(guān)系。角動(dòng)量指一個(gè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度之間的乘積，通俗地講，角動(dòng)量描述了一個(gè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。同一個(gè)物體，轉(zhuǎn)速越快，角動(dòng)量越大；而當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，角動(dòng)量越大。角動(dòng)量守恒指一個(gè)物體在不受外力或外部力矩合力為0 時(shí)，它的角動(dòng)量不變，不會(huì)無故轉(zhuǎn)動(dòng)起來或突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

在太空微重力環(huán)境下，人體懸浮在空間站內(nèi)，幾乎不受外力的影響，因此可以認(rèn)為整個(gè)身體的角動(dòng)量守恒。當(dāng)葉光富上半身左轉(zhuǎn)時(shí)，因角動(dòng)量守恒，其下半身會(huì)自動(dòng)右轉(zhuǎn)，以抵消上半身的左轉(zhuǎn)，從而保持整個(gè)身體角動(dòng)量為零。這就是葉光富在最初采用類似地面的扭腰方式未能完成轉(zhuǎn)身的原因。

葉光富左右扭腰并不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身，當(dāng)上半身向左轉(zhuǎn)時(shí)，下半身會(huì)向右轉(zhuǎn)。

其實(shí)，這個(gè)現(xiàn)象我們?cè)诘孛嫔弦材苓M(jìn)行模仿。找一把平穩(wěn)結(jié)實(shí)、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活的轉(zhuǎn)椅，坐在上面雙腳離地，扭動(dòng)身體轉(zhuǎn)向，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很難完成。當(dāng)手臂與上半身向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，椅子會(huì)相應(yīng)向右轉(zhuǎn)動(dòng)；恢復(fù)動(dòng)作后，椅子會(huì)基本回到原始方位。通常多次連續(xù)嘗試后，身體會(huì)小幅轉(zhuǎn)動(dòng)，但其原因并非不遵守角動(dòng)量守恒，而是因?yàn)檗D(zhuǎn)軸處有摩擦，使椅子一點(diǎn)點(diǎn)偏移而轉(zhuǎn)動(dòng)。

至于伸縮手臂控制自轉(zhuǎn)速度的實(shí)驗(yàn)，更是角動(dòng)量守恒的經(jīng)典案例。物體勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其角動(dòng)量恒定，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，角速度越小；反之，角速度越大。當(dāng)葉光富手臂伸展后，質(zhì)量遠(yuǎn)離身體質(zhì)心，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變大，角速度變小，自轉(zhuǎn)變慢；當(dāng)他手臂收縮靠近身體后，質(zhì)量靠近身體質(zhì)心，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小，角速度相應(yīng)變大，自轉(zhuǎn)加快。北京冬奧會(huì)即將開幕，大家可以在欣賞花樣滑冰時(shí)，觀察到這一現(xiàn)象——在光滑的冰面上，花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員做自旋動(dòng)作時(shí)，伸展四肢時(shí)自旋變慢，收縮身體時(shí)自旋變快。一些優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員，能通過伸縮肢體自如控制自轉(zhuǎn)速度，給人帶來藝術(shù)的美感。

花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員通過四肢的伸縮，即可控制自轉(zhuǎn)速度。

最后回到用手臂快速劃圈實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身的實(shí)驗(yàn)。媒體報(bào)道時(shí)都給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的原因——角動(dòng)量守恒，但大都沒有更詳細(xì)的說明。其實(shí)仔細(xì)分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)轉(zhuǎn)身的過程相當(dāng)復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)中，葉光富快速揮動(dòng)手臂順時(shí)針劃圈后，身體其余部分會(huì)向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，表現(xiàn)為上半身俯向下轉(zhuǎn)動(dòng)；隨后他逆時(shí)針揮動(dòng)手臂，上半身又會(huì)后仰向上轉(zhuǎn)動(dòng)。該過程與扭腰動(dòng)作類似，都是全身角動(dòng)量守恒的體現(xiàn)。但為何此時(shí)身體會(huì)隨之左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，卻并不能非常直觀地用角動(dòng)量守恒原理進(jìn)行解釋。因?yàn)槭直蹞]動(dòng)的平面與身體左右轉(zhuǎn)動(dòng)的平面是近似互相垂直的關(guān)系，所以有人據(jù)此提出這一現(xiàn)象與陀螺的進(jìn)動(dòng)有關(guān)。快速揮動(dòng)劃圈的手臂，可看作一個(gè)陀螺，應(yīng)遵循陀螺的運(yùn)動(dòng)原理。在地面上，受重力影響，陀螺會(huì)產(chǎn)生明顯的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)；而在太空微重力環(huán)境下，又會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？

對(duì)于葉光富用手臂快速劃圈實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身的實(shí)驗(yàn)，你覺得如何解釋更好，歡迎共同探討。

B 站主播“力學(xué)Nerd 王小胖”分析手臂快速劃圈轉(zhuǎn)身的原理示意圖

陀螺在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，飛機(jī)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、“天宮”空間站的姿態(tài)控制系統(tǒng)都有它的身影。