解密“太空課堂”背后的科學原理

史峰

2013年6月20日，女航天員王亞平在“天宮一號”上給大家上了一節課，在課堂上王老師為大家做了五個精彩的實驗。大家在觀看這些實驗時，一定會感覺很神奇，那神奇背后的科學原理你明白嗎？下面就向你們揭示其中的幾個秘密吧。

太空中永不停止的“單擺懸停”

先看看“單擺懸停”：T型支架上，細繩拴著一顆小鋼球。這是物理課上常見的實驗裝置——單擺。王亞平把小球拉升到一定高度后放手，小球并沒有像在地面那樣往復擺動，而是懸停在了半空中。王亞平用手指輕推小球，小球開始繞著T型支架的軸心做圓周運動。

再說說原理：在地面上，被細繩牽著的小球受到地球引力的作用向下運動，并且下落的

速度會越來越快，因此，小球向下的“沖力”就越來越大，當它下落到最低點的時候，小的

“沖力”就會大于地球引力。

由于被細線牽著，所以小球會在“沖力”慣性的作用下越過“最低點”，然后改變方向，向上爬升。在向上爬升的過程中，小球的速度會越來越慢，向上的“沖力”也越來越小了，當小球向上的“沖力”小于地球對它的引力時，它就會掉頭向下沖。如此反復，小球形成了“左右擺動”的狀態。

為什么在太空中則出現迥然不同的現象呢？在太空中，地球對小球的引力已經消失，沒有引力向下“吸引”，又沒有其他方向的力量推動，所以小球就懸停不動了。當王亞平輕輕推小球時，小球就得到了一個推力，由于這個推力沒有其他阻力來干擾，所以“動能十足”，只輕輕一推，小球就會“拼命”地在細線的牽引下做圓周運動。

從理論上講，如果小球只受到王亞平的“推力”，沒有其他引力來“干擾”，小球就會在推力的作用下永遠旋轉下去。

太空中亂翻跟斗的陀螺定軸

接下來，王亞平老師又取出一個紅黃相間的陀螺懸放在空中，用手輕推陀螺頂部，陀螺就翻滾著飛向遠處。接著，她又取出另一個陀螺，這次先讓它旋轉起來，再用手輕輕一推，旋轉的陀螺就不再翻滾著飛走，而是保持著固定旋轉姿態向前飛。

這可和地面上的陀螺不一樣哦！在地面上，旋轉起來的陀螺有一個特性，就是它的旋轉軸能克服外力干擾，不會改變方向。其實，我們在玩具不倒翁中，就能看到陀螺的這個特性。但陀螺在地面上旋轉時，它的旋轉能量很快會被空氣阻力和摩擦力抵消掉，轉速會很快減慢下來，其在旋轉下才具有的“定軸性”很快就會消失，這就是陀螺在地面上旋轉一會兒就倒下來的原因。

在太空中，陀螺沒有了摩擦力和空氣阻力等力量干擾其旋轉，發動起來的陀螺可以永遠高速旋轉，有了這種長時間的高速旋轉，陀螺的“定軸性”就展現得特別明顯：無論王亞平給予什么方向上的推力“干擾”它，它都能保持原來的軸向旋轉，不會翻滾。另一個沒有旋轉起來的陀螺，因為沒有定軸，所以用手輕輕一碰，它就會前滾后翻，東倒西歪。

太空中的豎直水膜表面能掛中國結？

再看看太空中的神奇水膜吧。王亞平老師把一個金屬圈插入飲用水袋中，慢慢抽出金屬圈，豎起來，金屬圈內就形成了一個豎直方向的水膜。晃動金屬圈，水膜也沒有破裂；往水膜表面掛上一片畫有中國結圖案的塑料片，水膜依然完好。

再說說其中的道理：液體表面存在一種表面張力——就是水面被向內拉緊的力量。“水面”被表面張力拉緊后的結果是什么呢？結果是，水面會變得和橡皮膜一樣結實。在地面上形成的水膜其實也是“橡皮膜”，只不過在地面上這種“橡皮膜”存在的時間特別短，所以等不到你掛上中國結，它就爆了。

為什么地面上的水膜存在的時間會很短呢？因為有地球引力的影響呀。因為存在重力，所以水膜上的水會很快沿著重力的吸引方向向下匯聚，水膜四周就會快速變薄，結果眨眼就薄到爆掉了。

在太空中，沒有重力的向下吸引，水膜上的水就不會朝著重力的方向匯聚，水膜就可以厚薄均勻地如一塊“像皮膜”一樣長時間存在，所以王亞平就有足夠的時間在上面掛一個中國結。

當然，在地球上長時間且結實存在的水膜也是有的，比如水平方向的水面，其實就是一個比較結實的水膜——你常會看到有些水生昆蟲在水面上行走自如，你甚至可以在這樣的水面上小心地放上一枚硬幣而不會下沉。也就是說，在地球上保持一個水平水面是可以的，但制作并保持一個豎直方向的水面就不容易了，因為水會向下流嘛。太空中，因為水也失重了，它們不會向下流，所以就可以制作并長時間地保留一個結實的豎直水膜來掛中國結了。