天宮授課，讓科學(xué)炫在九天

○張學(xué)軍

2023 年9 月21 日15 時48 分，“天宮課堂”第四課如約而至，神舟十六號航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮在夢天實驗艙面向全國青少年進行了約48 分鐘的太空科普授課。本次課中的四個實驗都很精彩，特別是“奇妙乒乓球”和“又見陀螺”實驗。由于地面條件所限，我們對某些科學(xué)實驗可能領(lǐng)會不深，天宮課堂的演示讓我們豁然開朗。

【球形火焰實驗】

球形、偏藍的火焰讓觀眾大開眼界，天上、人間物象果然兩樣。（本刊今年第9 期《載荷專家在天上干什么》一文曾對太空燃燒作過詳細解釋。）

【動量守恒實驗】

兩個鋼球碰撞后的動靜轉(zhuǎn)化、移動方向變化清晰地演示了動量守恒理論：如果一個系統(tǒng)不受外力，或者所受外力的矢量和為零，這個系統(tǒng)的總動量保持不變。

【奇妙“乒乓球”實驗】

實驗內(nèi)容：首先，朱老師用飲水袋制作了一個小水球，桂老師用一只普通的球拍擊打水球，水球粘在了拍上；接下來，桂老師制作了一個同樣的水球，兩人用包裹著干毛巾的球拍擊打水球，實現(xiàn)了太空對打。

實驗原理：表面張力使得水在微重力環(huán)境中能夠保持較穩(wěn)定的球形狀態(tài)，所以太空中制作水球比較容易。當用普通乒球拍擊打水球時，由于球拍表面的膠皮具有一定的黏性，所以水球被粘在了球拍表面。而用裹著干毛巾的球拍擊打水球時，由于毛巾表面的微絨毛形成的微納結(jié)構(gòu)具有較好的疏水性能，幫助球拍與水球分離。這樣，水球就可以被球拍彈開了。

實驗拓展：用干毛巾擦汗時，汗液被擠壓到了疏水結(jié)構(gòu)下方的纖維空隙里，這就是毛巾不吸水卻能擦汗的道理。制造出毛巾所有的這種疏水結(jié)構(gòu)在紡織工藝中很常見，沖鋒衣、速干衣等都運用了這種處理工藝。

知識點：

表面張力

處于界面的分子與處于本體內(nèi)的分子所受的力是不同的。在水內(nèi)部的水分子受到周圍水分子的作用力的合力為零。但在表面的水分子受到上層氣相分子對它的吸引力小于內(nèi)部液相分子對它的吸引力，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動縮小的趨勢，這種收縮力稱為表面張力。表面張力使得液體表面層猶如緊繃的橡皮膜，盡可能地縮小表面面積。球形是一定體積下具有最小表面積的幾何形體。因此，在表面張力的作用下，液滴總是力圖保持球形。雨滴形成露珠就是這個道理。

【又見陀螺實驗】

實驗內(nèi)容：（1）桂老師雙手握住一個靜止的金屬陀螺，分別向左、向右改變陀螺的方向，他的身體姿態(tài)沒有發(fā)生明顯的改變。（2）讓陀螺快速旋轉(zhuǎn)起來，然后桂老雙手握住陀螺，向左、右改變它的軸向，此時，他的身體姿態(tài)被陀螺帶動，發(fā)生了改變。

知識點：

角動量

角動量是物理學(xué)中描述物體繞某一軸旋轉(zhuǎn)時的動量表現(xiàn)的概念，可以將其理解為物體旋轉(zhuǎn)的某種“慣性”。它是一種矢量物理量，具有大小和方向。物體的角動量大小和物體的質(zhì)量、物體的旋轉(zhuǎn)速度以及物體與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離有關(guān)。角動量的改變需要外在力矩，沒有外在力矩時角動量保持守恒，也就是轉(zhuǎn)動狀態(tài)保持不變。

實驗原理：當金屬陀螺靜止時，它的角動量為零。桂老師改變陀螺方向時，陀螺的角動量不變，幾乎不需要施加力矩，陀螺對他的手也幾乎沒有反作用力矩，所以桂海潮的身體姿態(tài)基本保持不變。當金屬陀螺快速自轉(zhuǎn)時，具有較大的角動量，此時桂老師再改變陀螺的軸向時，等于要改變陀螺的角動量，需要對陀螺施加一個力矩，相應(yīng)地陀螺必然對他的手產(chǎn)生一個反作用力矩，從而帶動他的身體姿態(tài)發(fā)生變化。

實驗拓展：空間站在太空中轉(zhuǎn)身就是運用了同樣的原理?？臻g站上安裝了一種叫作控制力矩陀螺的特殊裝置。控制力矩陀螺在高速自轉(zhuǎn)，具有非常大的角動量，當改變陀螺的方向時，就可以對空間站施加很大的力矩，改變空間站的姿態(tài)?？臻g站裝有多個控制力矩陀螺，雖然總重量只有幾百公斤，卻能讓重達幾百噸的空間站在太空中實現(xiàn)輕松自如地轉(zhuǎn)身。當然，這種陀螺的重量、尺寸和轉(zhuǎn)速都經(jīng)過了精確的設(shè)計和計算。

“飛天夢，永不失重，科學(xué)夢，張力無限。”2013 年6 月20 日神舟十號航天員首次太空授課，王亞平用以結(jié)尾的這句話至今仍在九天回響。一堂堂奇幻而嚴謹?shù)目罩锌茖W(xué)課，激勵無數(shù)學(xué)子仰望星空，腳踏實地，弘揚航天精神，去擁抱星辰大海！