6月20日上午,女航天员王亚平在天宫一号里成功进行我国首次太空授课。在指令长聂海胜和摄像师张晓光的协助下,王亚平通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个实验,展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象。全国8万余所中学6000余万名师生通过电视直播同步收看。

这些美妙的实验反映了什么样的物理原理?清华大学航天学院副教授王兆魁对这些问题进行了解读。综合新华社6月20日电

　质量测量(牛顿第二定律)

　　航天员的表演给同学们带来了疑问:在地面上,人们一般用天平、台秤、托盘秤、杆秤、弹簧秤测量物体的质量。那么,失重环境下,该怎么办呢?
“质量测量仪”派上了用场,这是从天宫一号舱壁上打开的一个支架形状装置。聂海胜把自己固定在支架一端,王亚平轻轻拉开支架,一放手,支架便在弹簧的作用下回复原位。测量结果表明,聂海胜的质量是74千克。

解读:天宫中的质量测量仪,应用的是牛顿第二运动定律:物体受到的力等于它的质量×加速度。实验中设计了一个弹簧能够产生一个恒定的力,还设计了一个系统测出加速度,然后根据牛顿第二定律就可以算出身体的质量了。

应用 牛顿第二定律在航天活动中有着广泛的应用。例如,航天器的燃料消耗一段时间后,总质量会发生变化,可能影响轨道控制的精确度。这时就可以开启推力器并同时测量航天器的加速度,从而计算出航天器的质量。

单摆运动(太空失重)

　　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型支架的轴心做圆周运动而在地面对比试验中,需要施加足够的力,给小球一个较大的初速度,才能使它绕轴旋转。

有同学提问:“航天员在太空中有没有上下方位感?”

王亚平说,在太空中,无论我们的头朝向哪个方向,自身的感觉都是一样的,不过生活在太空中,我们也人为定义了上和下,并且把朝向地球的一侧作为下方,并铺设了地板。

解读:实验中小球没有来回摆动,是太空中的失重现象导致的。因为太空中没有重力作用,小球只会在原地悬浮。同样因为重力环境的不同,在太空中轻轻推小球一下,小球会在细绳的牵引下做圆周运动。而在地面上,需要给小球足够大的初速度,才能实现圆周运动。

应用 失重是空间与地面环境最重要的差别之一。它虽然给飞行生活带来很多有趣的体验,但也会妨碍航天员在舱内的操作,同时对航天员的心血管系统和肌肉、骨骼系统带来不利影响。

　陀螺运动(角动量守恒)

　　地面上常见的玩具陀螺,在太空中成了好教具。王亚平取出一个红黄相间的陀螺悬在空中,用手轻推陀螺顶部,陀螺翻滚着向前移动。紧接着,她拿出一个相同的陀螺,先旋转起来再悬浮在半空中,这一次用手轻轻一推,旋转的陀螺则不再翻滚,而是保持摇晃着向前奔去。

解读:转动的陀螺具有定轴性,定轴性遵守角动量守恒原理在没有外力矩作用的情况下,物体的角动量会保持恒定。航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩,由于角动量守恒,旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。而这一点在地面上之所以很难实现,是因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量,使其旋转速度逐渐降低,不能很好地保持旋转方向。

应用 利用角动量守恒定律,我们可以实现卫星的定向控制。基于陀螺指向稳定性特点制成的陀螺仪,还被广泛用于各种平台的稳定控制。雪铁龙C6轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器,可以实现车身稳定度的控制。

制作水膜、水球(液体表面张力)

　　王亚平拿起一个航天员饮用水袋,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,略微抖动水袋,水珠便悬浮在半空中。

王亚平笑着说:“如果诗仙李白在天宫里生活,大概就写不出‘飞流直下三千尺’的名句了,因为,失重环境下水不可能飞流直下。”

接着,她把一个金属圈插入装满饮用水的自封袋中,慢慢抽出金属圈,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。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。

慢慢地向水膜注水,不一会儿,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。紧接着,王亚平又用注射器把少许红色液体注入水球,红色液体慢慢扩散开来,晶莹透亮的水球变成了“红灯笼”。

解读:表面张力现象在日常生活中非常普遍,比如空气中吹出的肥皂泡等。地球引力使得肥皂泡上方变薄破裂而无法长久存在,而太空中的液体处于失重状态,表面张力决定了液体表面的形状。水膜实验中,表面张力使水膜像橡皮膜一样搭在金属环里,并且比地面上形成的水膜面积更大、存在时间更长。同样,由于没有重力影响,航天员向水膜上不断注入水时,这些水就能够均匀分布在水膜周围,逐渐形成水球。

应用 失重环境下,航天器推进剂贮箱中的液体燃料界面和气体界面不再是稳定的,可能产生液体迁移、气液混合等现象。因此,科学家们制造了表面张力贮箱,利用表面张力推动液体推进剂流动,为动力系统提供满足要求的推进剂。

评价

中国太空授课科技

含量高于人类首次

　　2007年8月14日,从中学教师成长为职业航天员的美国人芭芭拉•摩根,在国际空间站里进行了人类首次太空授课。在25分钟的课时里,她通过视频向学生展示了在太空运动、喝水等情景。

“和芭芭拉•摩根进行的太空授课相比,中国航天员的这堂太空授课不仅单次时间更长,难度也更高。 ”有航天专家表示,美国女航天员摩根太空授课的内容是介绍和演示太空生活,而我国女航天员王亚平太空授课的内容是介绍和演示物理概念,所以后者科技含量较高,难度也较大。

　花絮

聂海胜“悬空打坐”

被一指推飞

　　昨天10时11分,神舟十号航天员的身影清晰出现在中国人民大学附属中学报告厅大屏幕上。作为太空授课的“地面课堂”,330多位师生在这里亲身经历与神十航天员天地连线。

王亚平鱼儿一般向舱内摄像机游来,她是本次授课的主讲。指令长聂海胜则当起了“助教”,负责维护课堂秩序。航天员张晓光是这次授课任务的摄像师,在失重环境下不易保持自身平衡,他要先用束缚带把自己固定在舱壁上,再用手持摄像机保持长时间稳定拍摄。

为了更好展示太空失重状态,指令长聂海胜盘起腿,玩起了“悬空打坐”。王亚平用手指轻轻一推,聂海胜摇摇晃晃向远处飘去。

　幕后

为什么选在上午授课

　　北京大学地球与空间科学学院教授焦维新表示,太空授课的时间安排首先会考虑航天员整体的工作安排和准备,其次还要考虑中继卫星等下传通信方便的时间。再次还要考虑方便组织学生收看,达到授课效果。

从时间安排上来看,这次太空授课时间为51分钟。上午10点左右这样的时间段会便于学生组织收看。按照天宫一号和神舟十号组合体运行速度推算,100分钟围绕地球转一圈,也就是授课时间里,组合器围绕地球转了半圈。