互动科普

单摆运动

为了让同学们更好地理解物理知识，此次太空授课的主讲王亚平还为大家演示了太空中的“单摆运动”。我们都很熟悉，在地面上，在重力作用下，铅直位置是单摆的平衡位置。当偏离平衡位置时，重力和沿绳拉力的合力构成恢复力，该力指向平衡位置，会使单摆在铅直线左右做来回往复的摆动。

太空中的单摆也能这样摆动吗？T型支架上，用细绳拴着一颗明黄色的小钢球。王亚平把小球轻轻拉升到一定位置，放手，小球并没有出现地面上常见的往复摆动，而是停在了半空中。王亚平用手指沿切线方向轻推小球，奇妙的现象出现了：小球开始绕着T型支架的轴心做起了圆周运动—而在地面对比试验中，需要施加足够大的力，给小球一个较大的初速度，才能使它绕轴旋转。为什么与地面的单摆运动不同，小球在失重状态下，只需要一个轻轻的推动力，就开始做圆周运动？这是因为，在地面，重力与绳子拉力的合力使小球做单摆运动，但在空间微重力环境中，当小球具有速度时，只有拉力作为向心力，所以它在摆线的束缚下只能做圆周运动了。

陀螺实验

王亚平又取出一个红黄相间的陀螺，把它静止悬放在空中。用手轻推陀螺顶部，陀螺翻滚着飞向远处。紧接着，王亚平让陀螺旋转起来，悬浮在半空中，再用手轻轻一推，旋转的陀螺不再翻滚，而是保持转轴在空间的取向不变，向前飞去。

高速旋转的陀螺为什么不会翻跟头？实际上，高速旋转的陀螺具有沿轴的角动量，物理学原理告诉我们，当物体不受外力矩时，其角动量保持不变，被称为角动量守恒。在太空失重环境下，这一特性更加直观地呈现出来。高速旋转陀螺的定轴特性在航天领域用途广泛。在地面行驶的车辆等，常常使用利用地球磁场的指南针指示方向。而在宇宙航行中，则可利用陀螺转轴指向不变的特性确定方向。在天宫一号目标飞行器上，就装有各式各样的陀螺定向仪，正是有了它们，才能精准地测量航天器的飞行姿态。

王亚平演示陀螺的定轴性

水膜实验

阳光下五彩缤纷的肥皂泡，总是带给人们美好的童年记忆。能够形成肥皂泡，是液体的表面张力在发挥着神奇作用。在地球重力场中，只有经过特殊处理的肥皂水、富含无机盐的矿泉水才能表现出较强的表面张力特性。但是，在太空失重环境下，液体的表面张力特性突显出来，航天员的饮用水就可以形成漂亮的水膜。王亚平拿起一个航天员饮水袋，打开止水夹，水并没有倾泻而出。轻挤水袋，在饮水管端口形成了一颗晶莹剔透的水珠，抖动水袋，水珠便悬浮在半空中。在微重力环境中，就不会有李白的“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”的千古名句了。接着，王亚平把一个金属圈插入饮水袋中，再慢慢抽出，金属圈上便形成了一个漂亮的水膜。轻轻晃动金属圈，水膜也不会破裂，只是偶尔会甩出几颗小水滴。随后，王亚平又往水膜表面贴上了一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。这个实验表明，水的表面张力是很强的。

水球实验

王亚平用金属圈重新做了一个水膜，然后用饮水袋慢慢地向水膜上注水，水膜就变成了一个亮晶晶的大水球。用注射器向水球内注入空气，在水球内产生了两个标准的球形气泡，气泡既没有被挤出水球，也没有融合到一起。水球也没有爆裂。这些现象充分表明了流体表面张力的巨大作用，在微重力环境，它已经成为控制流体运动行为的主导因素。

表面张力来源于液体分子之间的相互作用力。处于内部的液体分子，四周被其他的液体分子所包围，因此，它所受到的沿各个方向的作用力互相抵消。当液体与空气形成界面时，处于表面附近的液体分子受力具有不对称性，液体一侧的其他液体分子对它的吸引力要远大于另一侧气体分子对它的吸引力，因此，它将受到一个垂直于表面，指向液体内部方向的合力，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力，其方向沿液面的切线方向。液体更趋向于具有更小的表面积。我们知道，在体积一定的条件下，球形的表面积最小，所以在没有重力的环境中，液体趋向于形成球形。这就是为什么小液滴及大水球在微重力条件下取球形的原因。在地球表面，由于重力的作用远远大于表面张力，所以，当水较多时，水的表面更趋向于取水平面，以降低体系的重力势能，从而不能形成球形。在液体形成球形时，表面只有形成沿切线方向的张力，才可以合成出在表面指向液体内部的合力。

微重力现象虽然早有研究，然而在人类航天活动之前不能称其为科学，它是自航天器飞天之后才逐渐发展成为一门学科的。微重力科学包括空间基础物理学、微重力流体物理、微重力燃烧学、空间材料科学以及空间生物技术等。微重力科学有很多重大基础物理问题，如失重条件下冷原子钟的频率稳定度会大大提高，可以应用于高精度的卫星导航定位系统；爱因斯坦的广义相对论，需要太空环境验证。微重力领域还有很多重大应用科学问题，如与流动相关的太空材料制备、生物组织培养与制药、与航天技术相关的太空燃料存储与控制等。

俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基有句名言：“地球是人类的摇篮，然而人类不可能永远被束缚在摇篮里。”此次太空授课，将激发广大青少年了解未知科学领域的热情，对培养他们的科学兴趣和探索精神具有重要的意义，必将产生积极的影响。

（本文发表于《科学世界》2013年第8期）