王亞平的倒像出現在水球中
王亞平在演示陀螺在太空中的運動
王亞平在進行單擺運動演示
王亞平在使用彈簧秤測量質量
6月20日上午,女航天員王亞平在天宮一號裡成功進行我國首次太空授課。在指令長聶海勝和攝像師張曉光的協助下,王亞平通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球等5個實驗,展示了失重環境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現象。全國8萬餘所中學6000餘萬名師生通過電視直播同步收看。
這些美妙的實驗反映了什麼樣的物理原理?清華大學航天學院副教授王兆魁對這些問題進行了解讀。綜合新華社6月20日電
質量測量(牛頓第二定律)
航天員的表演給同學們帶來了疑問:在地面上,人們一般用天平、臺秤、託盤秤、桿秤、彈簧秤測量物體的質量。那麼,失重環境下,該怎麼辦呢?
「質量測量儀」派上了用場,這是從天宮一號艙壁上打開的一個支架形狀裝置。聶海勝把自己固定在支架一端,王亞平輕輕拉開支架,一放手,支架便在彈簧的作用下回復原位。測量結果表明,聶海勝的質量是74千克。
解讀:天宮中的質量測量儀,應用的是牛頓第二運動定律:物體受到的力等於它的質量×加速度。實驗中設計了一個彈簧能夠產生一個恆定的力,還設計了一個系統測出加速度,然後根據牛頓第二定律就可以算出身體的質量了。
應用 牛頓第二定律在航天活動中有著廣泛的應用。例如,太空飛行器的燃料消耗一段時間後,總質量會發生變化,可能影響軌道控制的精確度。這時就可以開啟推力器並同時測量太空飛行器的加速度,從而計算出太空飛行器的質量。
單擺運動(太空失重)
T型支架上,用細繩拴著一顆明黃色的小鋼球。王亞平把小球輕輕拉升到一定位置放手,小球並沒有出現地面上常見的往復擺動,而是停在了半空中。王亞平用手指沿切線方向輕推小球,奇妙的現象出現了:小球開始繞著T型支架的軸心做圓周運動而在地面對比試驗中,需要施加足夠的力,給小球一個較大的初速度,才能使它繞軸旋轉。
有同學提問:「航天員在太空中有沒有上下方位感?」
王亞平說,在太空中,無論我們的頭朝向哪個方向,自身的感覺都是一樣的,不過生活在太空中,我們也人為定義了上和下,並且把朝向地球的一側作為下方,並鋪設了地板。
解讀:實驗中小球沒有來回擺動,是太空中的失重現象導致的。因為太空中沒有重力作用,小球只會在原地懸浮。同樣因為重力環境的不同,在太空中輕輕推小球一下,小球會在細繩的牽引下做圓周運動。而在地面上,需要給小球足夠大的初速度,才能實現圓周運動。
應用 失重是空間與地面環境最重要的差別之一。它雖然給飛行生活帶來很多有趣的體驗,但也會妨礙航天員在艙內的操作,同時對航天員的心血管系統和肌肉、骨骼系統帶來不利影響。
陀螺運動(角動量守恆)
地面上常見的玩具陀螺,在太空中成了好教具。王亞平取出一個紅黃相間的陀螺懸在空中,用手輕推陀螺頂部,陀螺翻滾著向前移動。緊接著,她拿出一個相同的陀螺,先旋轉起來再懸浮在半空中,這一次用手輕輕一推,旋轉的陀螺則不再翻滾,而是保持搖晃著向前奔去。
解讀:轉動的陀螺具有定軸性,定軸性遵守角動量守恆原理在沒有外力矩作用的情況下,物體的角動量會保持恆定。航天員瞬時施加的幹擾力不能產生持續的力矩,由於角動量守恆,旋轉陀螺的旋轉軸就不會發生很大改變。而這一點在地面上之所以很難實現,是因為陀螺與地面摩擦產生的幹擾力矩等因素改變了陀螺的角動量,使其旋轉速度逐漸降低,不能很好地保持旋轉方向。
應用 利用角動量守恆定律,我們可以實現衛星的定向控制。基於陀螺指向穩定性特點製成的陀螺儀,還被廣泛用於各種平臺的穩定控制。雪鐵龍C6轎車上就安裝了測量車身縱向和橫向擺動的陀螺傳感器,可以實現車身穩定度的控制。
製作水膜、水球(液體表面張力)
王亞平拿起一個航天員飲用水袋,打開止水夾,水並沒有傾瀉而出。輕擠水袋,在飲水管埠形成了一顆晶瑩剔透的水珠,略微抖動水袋,水珠便懸浮在半空中。
王亞平笑著說:「如果詩仙李白在天宮裡生活,大概就寫不出『飛流直下三千尺』的名句了,因為,失重環境下水不可能飛流直下。」
接著,她把一個金屬圈插入裝滿飲用水的自封袋中,慢慢抽出金屬圈,便形成了一個漂亮的水膜。輕輕晃動金屬圈,水膜也不會破裂。隨後,王亞平又往水膜表面貼上了一片畫有中國結圖案的塑料片,水膜依然完好。
慢慢地向水膜注水,不一會兒,水膜就變成了一個亮晶晶的大水球。用注射器向水球內注入空氣,在水球內產生了兩個標準的球形氣泡,氣泡既沒有被擠出水球,也沒有融合到一起。緊接著,王亞平又用注射器把少許紅色液體注入水球,紅色液體慢慢擴散開來,晶瑩透亮的水球變成了「紅燈籠」。
解讀:表面張力現象在日常生活中非常普遍,比如空氣中吹出的肥皂泡等。地球引力使得肥皂泡上方變薄破裂而無法長久存在,而太空中的液體處於失重狀態,表面張力決定了液體表面的形狀。水膜實驗中,表面張力使水膜像橡皮膜一樣搭在金屬環裡,並且比地面上形成的水膜面積更大、存在時間更長。同樣,由於沒有重力影響,航天員向水膜上不斷注入水時,這些水就能夠均勻分布在水膜周圍,逐漸形成水球。
應用 失重環境下,太空飛行器推進劑貯箱中的液體燃料界面和氣體界面不再是穩定的,可能產生液體遷移、氣液混合等現象。因此,科學家們製造了表面張力貯箱,利用表面張力推動液體推進劑流動,為動力系統提供滿足要求的推進劑。
評價
中國太空授課科技
含量高於人類首次
2007年8月14日,從中學教師成長為職業航天員的美國人芭芭拉·摩根,在國際空間站裡進行了人類首次太空授課。在25分鐘的課時裡,她通過視頻向學生展示了在太空運動、喝水等情景。
「和芭芭拉·摩根進行的太空授課相比,中國航天員的這堂太空授課不僅單次時間更長,難度也更高。 」有航天專家表示,美國女航天員摩根太空授課的內容是介紹和演示太空生活,而我國女航天員王亞平太空授課的內容是介紹和演示物理概念,所以後者科技含量較高,難度也較大。
花絮
聶海勝「懸空打坐」
被一指推飛
昨天10時11分,神舟十號航天員的身影清晰出現在中國人民大學附屬中學報告廳大屏幕上。作為太空授課的「地面課堂」,330多位師生在這裡親身經歷與神十航天員天地連線。
王亞平魚兒一般向艙內攝像機遊來,她是本次授課的主講。指令長聶海勝則當起了「助教」,負責維護課堂秩序。航天員張曉光是這次授課任務的攝像師,在失重環境下不易保持自身平衡,他要先用束縛帶把自己固定在艙壁上,再用手持攝像機保持長時間穩定拍攝。
為了更好展示太空失重狀態,指令長聶海勝盤起腿,玩起了「懸空打坐」。王亞平用手指輕輕一推,聶海勝搖搖晃晃向遠處飄去。
幕後
為什麼選在上午授課
北京大學地球與空間科學學院教授焦維新表示,太空授課的時間安排首先會考慮航天員整體的工作安排和準備,其次還要考慮中繼衛星等下傳通信方便的時間。再次還要考慮方便組織學生收看,達到授課效果。
從時間安排上來看,這次太空授課時間為51分鐘。上午10點左右這樣的時間段會便於學生組織收看。按照天宮一號和神舟十號組合體運行速度推算,100分鐘圍繞地球轉一圈,也就是授課時間裡,組合器圍繞地球轉了半圈。