“天宮課堂”第四課

李忠東

2023年9月21日下午15時(shí)45分，隨著航天員景海鵬“同學(xué)們好，我們一起開始一場探索之旅吧”的開場自，“天宮課堂”第四課拉開了序幕。這節(jié)太空課由中央廣播電視總臺(tái)面向全球現(xiàn)場直播，時(shí)長約48分鐘，采取天地互動(dòng)方式進(jìn)行。

介紹夢(mèng)天實(shí)險(xiǎn)艙

在課堂中，神舟十六號(hào)航天員桂海潮和朱楊柱介紹了夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙，給大家展示了兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜、超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜、流體物理實(shí)驗(yàn)柜、在線維修裝調(diào)操作柜、燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，以及高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜等實(shí)驗(yàn)裝置，簡要介紹了它們的特點(diǎn)與用途。

3位航天員還展示了艙內(nèi)鍛煉器材，比如抗阻鍛煉裝置，專用于航天員在軌進(jìn)行力量鍛煉。

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙是中國空間站的第三個(gè)艙段，也是第二個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙（第一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙是問天實(shí)驗(yàn)艙）。

桂海潮告訴大家：“實(shí)驗(yàn)載荷區(qū)域可以開展流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)、微重力物理科學(xué)的基礎(chǔ)研究，同時(shí)還能探究在軌制造、新型能源推進(jìn)等工程技術(shù)領(lǐng)域的前沿問題。”

球形火焰實(shí)驗(yàn)

3位航天員通力合作，演示了一組有趣的實(shí)驗(yàn)，讓同學(xué)們大開眼界。

在球形火焰實(shí)驗(yàn)中，地面課堂的授課老師和空間站的桂海潮同時(shí)點(diǎn)燃了一根蠟燭，結(jié)果呈現(xiàn)出截然不同的火焰。

桂海潮解釋說，地面蠟燭的火焰在豎直狀態(tài)下呈錐形，是因?yàn)槔嫔嫌兄亓ψ饔茫紵鬅釟馍仙錃庀陆担纬闪烁×?duì)流。而在空間站，不管蠟燭朝哪一個(gè)方向，它的火焰都近似球形，原因在于微重力環(huán)境使得加熱的空氣不會(huì)上升，只能慢慢擴(kuò)散，向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)相同。此外，在空間站里，燃燒對(duì)流十分微弱，氧氣的補(bǔ)充不如地面及時(shí)，因此蠟燭的燃燒沒有地面充分，火焰的溫度也會(huì)更低一些。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)有助于理解重力對(duì)燃燒過程的重要作用。重力不僅影響燃燒產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)和排布，還對(duì)燃燒的熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散和噴射等過程產(chǎn)生影響。對(duì)微重力環(huán)境下的燃燒進(jìn)行研究同樣有重要意義，比如保障航天員人身安全和設(shè)備正常運(yùn)行，再比如，可以幫助改進(jìn)地球上的燃燒過程，提高能源利用效率和減少污染物排放等。

“乒乓球”實(shí)驗(yàn)

接下來的一場空間站“乒乓球比賽”別開生面。

朱楊柱和桂海潮使用普通球拍時(shí)，水球被牢牢粘在球拍上，但在換成毛巾貼面的球拍擊打水球，水球不僅沒有被吸住，反而彈起來，像真的乒乓球一樣。

朱楊柱解釋道：“這是因?yàn)槌吮砻鎻埩κ顾虿蝗菀灼屏阎猓淼谋砻孢€布滿了疏水的微絨毛。這種疏水結(jié)構(gòu)的處理工藝在紡織工業(yè)很常見，大家穿的沖鋒衣、速干衣，都使用了類似的工藝。”

此前在“天宮課堂”第三課上，航天員陳冬演示過毛細(xì)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，笫二課也有液橋演示實(shí)驗(yàn)，這一系列實(shí)驗(yàn)都展示了流體現(xiàn)象的天地差異。在微重力環(huán)境下，液體特性會(huì)發(fā)生改變，這也意味著航天器燃料的流動(dòng)性質(zhì)與地面存在顯著差異。

動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)

在微重力環(huán)境下，不同質(zhì)量鋼球的質(zhì)心碰撞會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

這一次，朱楊柱和桂海潮在艙門掛上一米見方的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格布，以此為背景進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)表演。網(wǎng)格布上的小方格長與寬均是10厘米。朱楊柱將一顆質(zhì)量500克、直徑49.5毫米的實(shí)心鋼球放到網(wǎng)格布前方中央，球懸浮在空中。桂海潮將一顆同樣的鋼球拋出，碰撞到懸浮的第一顆球，結(jié)果兩顆球碰撞之后產(chǎn)生了動(dòng)量交換。

兩人隨后拿出一顆100克重的小鋼球，再次演示鋼球碰撞。這一次，小鋼球撞擊大鋼球之后，調(diào)轉(zhuǎn)方向返回，大鋼球則沿著小鋼球初始的運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)。反過來，大鋼球碰撞小鋼球時(shí)，小鋼球隨大鋼球沿著同一方向前進(jìn)。

桂海潮總結(jié)說，通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，剛才這些碰撞無論是接近于正碰，還是斜碰，都能夠滿足動(dòng)量守恒。

又見陀螺實(shí)驗(yàn)

在神舟十號(hào)的天宮課堂上，王亞平曾用一個(gè)小陀螺演示了定軸特性，講解了陀螺定向儀在精準(zhǔn)測(cè)量航天器飛行姿態(tài)的重要作用。

在這次陀螺實(shí)驗(yàn)中，桂海潮雙手持握一只大陀螺的兩端，僅僅輕微改變手持能方向，便成功地帶動(dòng)自己的身體轉(zhuǎn)動(dòng)起來。這里面蘊(yùn)含的物理知識(shí)便是關(guān)于物體的角動(dòng)量：當(dāng)陀螺靜止時(shí)，它的角動(dòng)量為零；而當(dāng)陀螺高速自轉(zhuǎn)時(shí)便擁有了巨大能角動(dòng)量。

為什么要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀窟@和室間站的姿態(tài)改換有關(guān)。為了讓同學(xué)們更好理解，桂海潮讓大家想象他的身體就是空間站，兩手和手中的陀螺是空間站上使用能特殊裝置——控制力矩陀螺。原來，控制力矩陀螺高速自轉(zhuǎn)具有非常大的角動(dòng)量，改變它的方向就可以對(duì)空間站施加很大能力矩，從而改變空間站的姿態(tài)。