太空科學課（八）
——在太空中轉身，原來是個大難題

文/太空熊貓君

在沒有重力和摩擦力的太空，行動起來特別方便：你可以隨心所欲地飛到任何地方，也可以毫不費力地舉起任何物體。但是你知道嗎？太空中也有我們想象不到的“麻煩”。

在中國空間站首次太空授課時，一位同學通過天地連線，向航天員提了一個問題：“航天員在太空中，能跟在地面上一樣正常行走嗎？”

為了回答這個問題，王亞平請葉光富表演一段“太空步”，結果雖然葉光富的雙腿快速邁動起來，但是他的身體不但沒有前進，反而向側面傾倒了。原來，我們之所以能夠在地面上走路，其實是地面的摩擦力在“推”動我們前進。在走路的過程中，我們的雙腿交替向前邁，接觸地面的那只腳會給地面一個水平向后的摩擦力。根據牛頓第三運動定律，給物體施加一個力，就會受到一個方向相反的反作用力。正是地面給我們的反作用力，讓我們可以向前行進。而在太空中，沒有重力的作用，人體是懸浮在空中的，向后蹬出的雙腳無法給任何物體施加作用力，自然受不到反作用力，也就無法前進了。

所以，太空中的航天員如果想要移動位置，就必須借助空間站內壁上的工具，通過拉動或者推動工具來獲得自己行進的動力。

接下來的天宮課堂又向我們展示了太空轉身的趣事。隨著王亞平的一聲口令“向后轉”，所有地面上聽課的同學都快速地完成了一個站立轉身的動作，然而在太空中轉身就沒有這么容易了。葉光富再次擔任太空助教，當他懸浮在空中嘗試原地轉身的時候，無論如何轉動身體，都無法完成轉身的動作。當他上半身向左轉的時候，下半身就會向右轉，反之亦然。那么，在太空中要如何完成原地轉身這個動作呢？王亞平根據同學們的提議，選出了兩個辦法——使用游泳的姿勢，或者通過吹氣的方式。這樣能不能讓自己原地轉身呢？結果都是徒勞。

難道在太空就不能轉身了嗎？王亞平提出了自己的想法：伸出右臂，快速地畫圈。這個方法能夠奏效嗎？用實踐說話——助教葉光富舉起右臂，向后繞著肩關節轉起了圈，與此同時，他的身體也旋轉了起來；葉光富的右臂反過來從后向前旋轉，身體就會朝反方向旋轉。這個方法奏效了！

為什么旋轉手臂可以讓人轉身呢？這背后的科學原理大家應該并不陌生，因為我在之前的文章中講過——角動量守恒原理。旋轉起來的物體會獲得一種角動量，沒有外力影響，它的角動量就不會發生變化。我們生活在地面上，受到重力和摩擦力的影響，平時很難直觀地注意到角動量守恒的現象。而在太空中，角動量守恒的作用就會非常明顯。剛才我們提到過，當葉光富嘗試直接旋轉身體的時候，他是無法成功轉身的。此時他的角動量為0，如果沒有外力推動他，無論如何扭動身體，他的角動量仍然是0——即便上半身向左轉了，產生了一個角動量，他的下半身會自然地向反方向旋轉，兩個運動互相抵消了，整個身體的角動量為0。

而旋轉手臂的效果就不同了。當我們將右臂伸直旋轉起來的時候，身體其實是會向與手臂相反的方向旋轉的，但是由于手臂在我們身體上所處的位置比較偏（位于上半身的一側，離質心較遠），不足以讓整個身體發生前后明顯的翻轉，所以會讓身體產生轉身的動作。

為了更好地理解角動量守恒原理，還有一個更直觀的實驗，葉光富也向我們進行了展示。當他張開雙臂在太空中旋轉起來之后，收回自己的雙臂，身體的轉速明顯加快了。這是因為，角動量的大小取決于物體的動量與位置矢量，簡單理解就是物體的旋轉速度和旋轉半徑共同決定了角動量的大小。當葉光富旋轉起來后，自身就具有了一定的角動量，收回手臂之后，旋轉的半徑縮小，但是角動量不變，所以旋轉的速度就變快了！

我們在地面上也可以進行這個實驗，你可以在公園健身區的轉盤或者冰面上來嘗試。當你張開雙臂旋轉起來后，快速收回手臂，可以明顯感受到你的轉速加快了，這就是角動量守恒原理。不過做實驗時要注意安全，一定要在家長的陪同下來操作喲！