“天宮課堂”又開課，九霄逐夢再問天
——解讀“天宮課堂”第四課

□文/南京信息工程大學教授、博導 劉玉柱

南京信息工程大學 金鑫

2023 年9 月21 日15 時45 分，“天宮課堂”第四課準時開講。本次太空授課活動繼續采取天地互動的方式進行。景海鵬、朱楊柱、桂海潮3 位航天員老師演示了球形火焰實驗、奇妙“乒乓球”實驗、動量守恒實驗以及又見陀螺實驗，并與地面課堂進行了互動交流。就讓我們一起走進這全新的太空教室——夢天實驗艙，探尋第四課中的奧妙所在吧！

浮力對流的奧秘——球形火焰實驗

不知道大家是否觀察過，在地面上，無論在哪里豎直點火，火焰都會呈現一個“底部寬、頂部尖”的錐形。如果在空間站的微重力環境中點火，火焰的形狀還會與地面上的一樣嗎？

球形火焰實驗就可以解決我們心中的疑惑。桂海潮老師在空間站中點燃蠟燭，與地面老師點燃的蠟燭形成對照。我們可以很明顯地看到，空間站中蠟燭的火焰近似球形，而在地面上，豎直狀態下蠟燭的火焰呈錐形。為什么會有這樣的差別呢？

在地面上，火焰燃燒時，火焰周圍的空氣會因受熱膨脹而向上運動，外圍的冷空氣則向下運動，從而形成浮力對流。火焰周圍的熱空氣在上升流動的過程中，會慢慢地在火焰的頂端匯聚，從而形成火焰的“尖端”。但是，在空間站中，由于微重力的影響，這種浮力對流大大減弱，燃燒后的氣體不會全部向上運動，而是向著各個方向運動，火焰旁的浮力對流會非常弱，導致空氣流動匯聚的量很少。所以，在空間站進行火焰實驗時，我們看到的火焰更接近于球形，而不是地面上的錐形。

此外，同學們可能還發現了，與地面上的火焰相比，空間站中的火焰顏色更偏藍色。要知道，只有在燃燒溫度低時，火焰才會偏藍色；而在燃燒溫度高時，火焰會偏黃色。這一現象的原因也是我們上文提到的空間站中浮力對流十分微弱，所以火焰周圍參與燃燒的氧氣少，蠟燭的燃燒不充分，火焰燃燒溫度也會更低一些，火焰就偏藍色了。

蠟燭在微重力環境中燃燒的球形火焰現象 供圖/中國載人航天工程辦公室

太空之中秀球技——奇妙“乒乓球”實驗

水是我們日常生活中最簡便的實驗對象之一，同樣也是“天宮課堂”里的“常駐嘉賓”，這次上課自然也少不了與水相關的實驗。聯系之前所學的知識，我們知道水在空間站中都是以球狀的形式出現的，這里的“乒乓球”實際上就是水球。

在空間站中，如何能像打乒乓球一樣打水球呢？

用普通球拍擊打“乒乓球” 供圖/中國載人航天工程辦公室

桂海潮老師首先嘗試用普通的乒乓球拍去擊打水球，然而，水球直接沾在了球拍的表面，并沒有像乒乓球一樣彈開。這時，朱楊柱老師過來了，他手里拿著一個白色的球拍。這個球拍有什么特殊之處呢？奧妙就在于球拍表面包裹了大家運動時擦汗用的干毛巾。大家可能會覺得，水球肯定會被毛巾吸收呀，何談“打乒乓球”呢？但是，神奇的一幕出現了，水球在碰到干毛巾包裹的球拍時，既沒有被毛巾吸收，也沒有沾在毛巾表面，而是像乒乓球一樣彈開了！就這樣，兩位老師你來我往地打起了“水球版”乒乓球賽。

那么，問題來了，為什么用來擦汗的干毛巾并不吸水，甚至能將水球彈開，而普通的乒乓球拍就不行呢？這是因為除了表面張力使水球不容易破裂，毛巾的表面還布滿了疏水的微絨毛，這些微絨毛形成了微納結構，有很好的疏水性能，水分子在接觸時并不會被吸收，而會被疏水的微納結構抵制在外。

問題又來了，干毛巾表面既然有疏水性，為什么又可以吸汗、吸水呢？這是因為大家在擦汗或吸水時進行了擠壓，將水壓到了微絨毛下面的纖維縫隙之中，水就被里面的纖維吸收了。

鋼球碰撞引出大道理——動量守恒實驗

同學們有沒有聽過動量守恒這個物理學定律呢？它主要是描述物體的質量和速度如何影響其運動的一個定律。在我們的生活中，動量守恒定律也有很多體現，例如汽車的安全氣囊和碰撞緩沖裝置等。在地面上，老師為了演示動量守恒定律，往往需要借助氣墊導軌等輔助工具，來盡量減少重力等因素的影響。在空間站的微重力環境中，我們則可以用更簡單、更直接的方法來演示動量守恒定律。

天地互動 腦洞大開

在天地互動的提問環節，地面課堂的同學們又提出了哪些問題？航天員老師又是如何解答的呢？

空間站上能看見太空垃圾嗎

景海鵬老師回答道：我們通常把太空垃圾叫作“太空碎片”“空間碎片”，它們的數量不少，對空間站的危害也不小。其實和大家一樣，我們也非常好奇，經常通過空間站的舷窗去看，甚至還用望遠鏡去找。但是，到目前為止，我們還沒有發現太空垃圾的蹤影。不過，我們的科研人員會利用科技手段時刻盯著它們的一舉一動，一旦對空間站產生威脅，我們就會采取相應的措施，比如進行主動規避等。同時，我們的空間站還有一些特殊的防護裝備，就好像穿了一副鎧甲，即使碰到空間碎片，我們也會安然無恙。

相同的兩個鋼球發生水平碰撞 供圖/中國載人航天工程辦公室

如何對抗失重對人體的不利影響

朱楊柱老師回答道：科研人員幫我們精心設計了各種有效的防護措施，比如我們穿的企鵝服、梯度加壓褲等。另外，我們每天都會進行體育鍛煉，大的設備有太空跑臺、太空自行車等，小的設備有拉力器、握力器、呼吸鍛煉器等。這些設備可以有效地防止肌萎縮和骨丟失，對抗失重帶來的不利影響。

桂海潮老師先準備了一塊1 米見方的標準網格布，上面布滿了相同大小的方格，這可以用來衡量鋼球的運動軌跡是不是一條直線。接著，桂老師拿出一個500 克的鋼球，把它放到網格布前方。然后，桂老師又拿出一個一模一樣的鋼球，準備拋出去水平碰撞靜止的球，以此驗證動量守恒定律。

在兩個球碰撞之后，運動的球靜止了，而原本靜止的球開始運動，兩球之間產生了速度交換，完全符合地面上的實驗規律。

接下來，兩位老師又分別演示了100 克小鋼球水平撞向500 克大鋼球以及500 克大鋼球水平撞向100 克小鋼球。最后出現的實驗現象都與地面上的碰撞現象相同，并且都滿足動量守恒定律。因此，我們可以發現：動量是物體本身的一種屬性，與所處環境無關；物體的動量并不會因為處于微重力環境中就發生改變。

四兩撥千斤——又見陀螺實驗

相信大家都對之前王亞平老師演示的陀螺定軸性實驗、葉光富老師的太空轉身實驗以及陳冬老師手上“會掉頭”的扳手印象深刻。這3 個實驗，均涉及一個相同的知識點——角動量守恒。這次的又見陀螺實驗，也與角動量守恒密切相關。

桂海潮老師準備了一個陀螺來做轉身實驗，實驗包含兩個部分，可以相互對照。首先是第一個部分，陀螺靜止、沒有轉起來時，桂老師握住陀螺的兩側，在改變陀螺方向的過程中，我們可以看到他的身體姿態并沒有發生明顯改變；接下來的第二個部分中，陀螺開始自轉，這時桂老師握住陀螺并且改變陀螺的左、右方向，結果他也相對應地發生了轉身。這背后的原理是什么呢？

演示動量守恒定律 供圖/中國載人航天工程辦公室

我們知道，力矩是物體角動量發生改變的原因。在第一個演示中，陀螺靜止，沒有轉動，它的角動量為零，所以在改變它的方向時，它的角動量和桂老師自身的角動量基本不變。而在第二個演示中，陀螺快速自轉，具有了比較大的角動量，這時桂老師改變陀螺的方向，陀螺的角動量就發生了顯著變化，相應地，陀螺對桂老師的手就產生了比較大的反作用力矩。這個力矩讓桂老師自身的角動量發生了改變，從而使他實現了轉身。

同學們，你們知道本次的開課時間為什么選在9 月21 日嗎？這背后其實意味深長。選在這一天，是為了紀念中國載人航天工程在1992年9 月21 日正式立項，它是我國空間科學實驗的重大戰略工程之一，也是我國航天史上的里程碑！

此外，這次主講的兩位“新面孔”老師其實并不是專職航天員出身。朱楊柱老師是中國空間站首位航天飛行工程師；桂海潮老師是中國空間站首位載荷專家，他也是首位戴眼鏡執行飛行任務的航天員。

看到這兒，很多同學是不是也心動啦？沒錯！這正表明了往后會有更多領域的人才擁有上天追夢的機會，去探索浩瀚宇宙，去追逐科學真理。但是，請同學們記住，要想去太空“做客”，提升自己的知識水平和身體素質，一項都不能少哦！