王亚平上的“天宫课堂”搬到地球上会怎样？我们做的结果是……

仙仙

凝结航天科技专家小巧思的“企鹅服”，荧光下一闪一闪跳动的细胞，太空转身的5种方式，美不胜收的水膜实验……相信在12月9日的“天宫课堂”上，很多人体验了一场神奇的科幻之旅。


然而，一场60分钟的科学课并不解渴。


“感觉良好乘组”的3位航天员在为我们带来这些“惊叹号”的同时，也激发出很多人的好奇心：如果在地球上重现这些太空实验，会是什么效果？还有哪些类似有趣的实验？




12月12日，科技日报社邀请神舟号飞船首任总体副主任设计师李颐黎、太空授课科普专家组成员陈征博士在北京市八一学校开设“天宫课堂”“提高班”，讲述航天人的追梦历程，全面复盘科学实验，把现场观众心中还有的问号拉直。


如果太空开举重运动会 举起地球不是梦！


“畅想一下，如果我们在太空开运动会，哪个项目可以破纪录？”陈征首先发问。


“跳高或跳远！”“标枪！”“射击！”同学们争先恐后地回答。


“我最想破举重项目的纪录，甚至想举起地球！”陈征告诉大家，在太空中，举重是比较容易实现的。


陈征还说，虽然空间站处于微重力环境，人人身轻如燕，可同时失去了地面摩擦力提供的向前的动力，因此人在太空中行走会寸步难行。这让许多以为在太空中可以因为身体变轻而跑得更快的同学大呼意外。




一番互动之后，陈征拿起常平架陀螺为大家讲解。“高速旋转时，陀螺具有定轴性，不管如何转动常平架，陀螺始终保持一个方向。”陈征进一步解释，假设为陀螺仪指定一个方向，在任意时刻，我们只要对比和陀螺仪轴方向的夹角，就能确定当前方向。这就是陀螺仪导航最核心的原理。


除了大众熟悉的GPS导航，基于惯性导航系统，陀螺仪可以不受信号变化时刻工作，起到导航作用。也就是说，无论是在地面、海上、空中甚至是深海、地下的平台，搭载上它都可以随时随地知道自己身在何处。


要向“喵星人”学习角动量守恒


“天宫课堂”结束后，应该连叶光富老师自己都没想到，他已凭借“左摇右扭”出圈，成为中国站得最高的太空转身“模特”了。


陈征说，太空转身实验的核心关键词叫做角动量。角动量是描述物体转动的物理量。


本次“提高班”中，陈征当起了“地面模特”，站在一个可以自由旋转的转台上，在没有外力矩的情况下，上半身向左，下半身就会不由自主地向右。这是角动量守恒在生活中一个简单直观的表现。


陈征还特别提到了猫咪落地的过程。猫咪在空中时，能把身体圈起来后再扭转伸开，过程中身体不会固定在一条直线上，在保持角动量守恒的同时完成翻身，所以猫咪始终是脚先着地。




那么，我们如何像“喵星人”一样，在保证角动量守恒的情况下优雅转身呢？陈征亲自上阵，在转台上展示了如“自由泳”式的有趣姿势，果然转动了起来！“虽然我比较胖，姿势也不好看，但这个动作是非常有效的。”陈征笑称。


接着，为了呈现一个更为简单的转身方式，陈征又拿起一个旋转的车轮，双手紧握，伸直双臂，也能轻松转起身来。


神奇过瘾的“水”实验


敲黑板！认真听讲的同学一定还记得，当王亚平老师将乒乓球放在盛有水的杯子中时，乒乓球始终不能浮起来。这是因为太空微重力条件下，液体内部压强处处相等，也就不再有上下表面压强差而产生的浮力。换言之，如果在太空中将一个铁球放在水面，它也不会沉下去。


这次，陈征做起相同实验，乒乓球轻松浮起。这验证了重力和浮力同时存在。“在空间站的微重力环境下，因为每一部分水都不需要承载它周围的水，都是飘在空中的。因此，太空中水杯里的水的压强是一样的，放入乒乓球，力相互抵消，浮力也就消失了。”陈征说。




接下来，陈征又“变”出一个水槽，做出了一个长方形“泡泡”。他告诉大家，我们习惯将洗手液、洗洁精、肥皂液等加入水中制成水膜，由于这些表面活性剂能够降低水的表面张力，在太空中，水珠没有了重力的干扰，借助固水环，水就容易形成薄膜。这就是“液体表面张力”的知识点，受到内部分子的吸引，液体表面分子有被拉入内部的趋势，导致表面就像一张绷紧的橡皮膜，这种促使液体表面收缩的绷紧的力，就是表面张力。




为了复盘“水球光学”实验，陈征用笔在纸上画出一个向左的箭头，将装水的烧杯放在纸片前面，当水漫过箭头，神奇的事情发生了，水杯里的箭头调转了方向！陈征解释道：“这个实验类似太空中的‘双重人像’，凸透镜在2倍焦距之外可以呈现倒立的实像。”


为了在地面上重现“双重像”的神奇之处，陈征拿起空试管，制造了一个空气柱，插到刚才盛满水的烧杯中。透过空试管观察到的箭头方向，与烧杯中其他位置观察到的箭头方向刚好相反，同学们大呼过瘾！


浩瀚宇宙，有趣的远不止于此。在回答同学们的问题时，陈征说，每到夜晚你仰望星空时，大自然已经向你证明，光速是有限的；天气好的时候，人们可以看到很遥远的星星，也许是5年前的，也许是50年前的，甚至是几百万年前的……我们目之所及的恰似一部星星版的“史诗”。


延伸阅读


没有一个伟大的科学成就是一蹴而就。“提高班”上，近一个甲子年一直从事火箭和航天器系统的研究和设计工作，神舟号飞船首任总体副主任设计师李颐黎为同学们科普了我国载人航天工程的历史。




李颐黎介绍，1970年4月24日，我国发射第一颗人造卫星不久，毛泽东主席就签阅了我国发展载人飞船的报告。当时命名为“曙光一号”的飞船，计划在1973年底发射升空。从此我国开始了培养预备航天员的工作，相关研制工作也相继开展。1971年4月，全国有80多个单位、400多位专家和科技人员全面开展了“曙光一号”的论证和研制工作。由于某些历史原因，载人飞船很多工作没能开展，远程火箭的研制计划也被迫推迟。虽然没能成功发射，但“曙光一号”的研究成果对神舟号载人飞船工程的概念研究和研制工作奠定了一定基础。直到1992年，“921工程”立项之后，中国载人航天工程才获得新的生命。


如今，中国人终于有了自己的空间站。当年那个奋斗在北京市海淀区知春路的李颐黎虽已白发，但回忆起那段伴着月光回家的路，眼中仍然闪烁着的星星……