太空科學課（二十六）

如果你一直都在關注天宮課堂，你一定對角動量這個物理概念很熟悉。在之前的太空科學課中，航天員們向我們展示了陀螺的定軸性、太空轉身、會調頭的扳手等實驗，講解了角動量守恒原理。而在天宮課堂第四課中，航天員們又為我們帶來了一場全新的角動量守恒實驗。

只見桂海潮拿出一個兩側帶有把手的圓環形陀螺，讓陀螺與自己都飄浮在空間站內。實驗開始，桂海潮雙手握住手柄、左右旋轉陀螺，這時候他依然安靜地飄浮著，沒有出現什么特殊的現象。隨后，助教朱楊柱讓陀螺快速旋轉起來，桂海潮再用同樣的方式旋轉陀螺，右手輕壓、左手微抬，他的身體居然向左旋轉起來！而當桂海潮抬手讓陀螺倒向另一側之后，他的身體又反過來向右旋轉了。

在之前的天宮課堂中，葉光富就給我們演示了類似的實驗——太空轉身。這兩個實驗其實是非常類似的，陀螺沒有旋轉的時候，與其他物體沒有區別，航天員對它施加作用力之后只會受到輕微的反作用力，不足以讓航天員的姿態發生變化。

而當陀螺高速旋轉起來之后，情況就不一樣了，陀螺好像變得特別“固執”，要改變它的狀態就不容易了。想了解這里面都發生了什么，我們需要重點了解一下角動量這個概念。在上一期的文章中，我們了解了什么是動量。與之相類似，旋轉的物體也具有一種旋轉的動量，稱之為角動量，它體現了一個物體旋轉運動能夠產生的作用效果的大小。例如隨手拿起你身邊的一本書，嘗試讓它在你的指尖上旋轉起來，這本書就具有了角動量。如果你多拿幾本書試試，還會發現一個簡單的現象：書越大、越重，就越不容易旋轉起來；旋轉起來之后，在轉速差不多的情況下，越大、越重的書也更不容易停下來。這說明了角動量的大小不僅和物體的質量及旋轉速度有關，還和物體本身的大小有關。當然，我用“大小”這個詞主要是為了方便你對角動量的理解，實際上角動量的定義和計算方法會復雜許多。

與動量守恒原理類似，角動量也遵守著守恒原則。簡單來說，當一個系統旋轉起來之后，如果沒有外力直接影響它的旋轉方向和速度，它就會保持原來的角動量不變。天宮課堂之前做過的陀螺定軸性實驗，本質上也是這個原理，旋轉起來的陀螺飄浮在空中，航天員輕輕推動一下，雖然會讓陀螺移動，卻不會改變陀螺旋轉的速度與方向。

回到這一節的天宮課堂中來，不知道你有沒有發現，桂海潮拿著的是一個黃銅材質的陀螺，看起來非常沉重。雖然空間站內很難感受到重力，但是金屬材質的陀螺旋轉起來之后也會產生很大的角動量。我們假設陀螺此時的角動量是L，而沒有旋轉的桂海潮的角動量是0。當桂海潮嘗試改變陀螺的方向的時候，他就與陀螺構成了一個整體，他用雙手轉動陀螺，陀螺的角動量就發生改變了，也就是在這個L之上又加上了一個L’，這個時候角動量守恒定律就要跳出來抗議了：“我可是要保持不變的，你居然想讓我發生變化，那我就要讓你變回去！”

于是，為了保持整體的角動量守恒，陀螺就會給航天員一個反方向的L’，因為這樣整體的角動量就是L+L’-L’=L，又恢復守恒了。只是我們的航天員，反而多了一個角動量-L’，于是他轉起來了！

嚴格來說，正在轉動陀螺的桂海潮，他所產生的旋轉方向應該是與陀螺發生變化的方向相反的——陀螺順時針轉動，桂海潮就會逆時針向身體的一側栽倒，只是這種運動需要的角動量比較大，而桂海潮轉身需要的角動量比較小，所以還沒等他栽倒，我們就先看到他在太空轉身了。

對了，咱們之前講過的葉光富通過旋轉手臂來實現太空轉身的實驗，其實和這個實驗的原理完全一樣呢！現在你對角動量守恒的理解更加深入了嗎？

角動量守恒原理在日常生活和太空中的應用非常廣泛，最常見的就是通過高速旋轉的陀螺為交通工具導航，這就是陀螺儀。陀螺儀通常由多個陀螺組成，每個陀螺的旋轉面相互垂直。這些陀螺都在高速旋轉，具有的角動量非常大。只要交通工具改變運動方向或速度，陀螺儀中的陀螺就會對抗這種改變，并把受到的外力通過計算機反饋給導航系統，這就可以為輪船和飛機提供十分準確的導航服務了。

在中國空間站中，角動量守恒有一項更重要的應用，在講這項應用之前，我們先來思考一個問題：空間站在太空中運行，我們肯定是希望它可以像飛機一樣，沿著水平的方向向前飛行的，可是由于微流星的撞擊、稀薄空氣帶來的阻力、地球的阻力等因素，還有飛船對接、艙段轉運等操作，它飛行的姿態難免發生變化（可能會側著身飛行或者抬著頭飛行），時間久了，空間站就要偏航了，那如何調整空間站的姿態呢？

你可能已經想到了通過推進裝置來解決這個問題。沒錯，我們可以為空間站安裝一些推進裝置，當空間站的姿態發生偏轉，我們就沿著偏向的方向用推進器來噴氣，這樣，噴氣所產生的反作用力就可以把飛船推回正確的方向上。

這個方法簡單方便，但是也有一個大問題，那就是太貴了！想要獲得足夠的反作用力，推進器就需要通過消耗燃料來噴出大量的氣體，送一點點物品上太空都需要很高的發射成本，更何況寶貴的燃料需要用來維持空間站的日常運行以及應對突發狀況，怎么可以輕易消耗呢？于是，工程師們想到了另一個辦法，那就是利用角動量守恒定律。

空間站姿態發生偏移，不就是發生了旋轉嗎？如果我們在空間上安裝一個陀螺，通過它來產生巨大的角動量，空間站不但不容易被各種因素“帶偏”，還可以自行調整姿態。中國空間站就采取了這個辦法，工程師們在天和核心艙外側安裝了六個被叫作控制力矩陀螺的大陀螺。這些陀螺通過太陽能電池帶來的電能高速旋轉，進而產生了巨大的角動量。當空間站姿態發生偏移或者需要調整姿態的時候，航天員會主動控制這些大陀螺。和正在轉動黃銅陀螺的桂海潮一樣，陀螺也會反過來讓空間站發生旋轉，從而就實現了空間站姿態的調整啦！

到這里，天宮課堂第四課的實驗部分就結束了。下一期，我們再一起觀看趣味橫生的天地互動環節吧。