太空科學課（三）

太空熊貓君

相信很多同學都有過這樣一個疑問：地球圍繞太陽旋轉得那么快，為什么不會飛出太陽系呢？其實類似的問題還有一個：中國空間站距離地表只有400多千米，為什么不會掉下來呢？這兩個問題看似不同，其中包含的原理卻是一樣的。在第一次太空授課中，航天員王亞平為全國中小學生展示的太空單擺實驗，就回答了這個問題。

單擺是中學物理課上常見的實驗裝置——用細繩吊起一顆小球，將細繩的一端固定在支架上，當我們拉起小球讓它自由落下，小球會在豎直平面內來回擺動。而太空中的單擺則為我們展示了另外一種情形：王亞平輕輕推動小球，小球卻開始繞著細繩的頂端旋轉起來，做起了圓周運動。

其實，兩種運動的本質很接近，都是慣性和細繩拉力的復合作用，只是地面上的單擺還受到了重力的影響，上升到一定高度以后被重力“拽”了下來，才形成了往復擺動的現象。不考慮空氣阻力和摩擦力的影響，地面上的單擺運動是具有等時性的——它完成一次擺動的時間是一個定值，只和細繩的長度以及所在地點的重力加速度有關，和擺動的幅度及擺球的質量無關。

最早發現單擺等時性的科學家是伽利略，他在1602年的一封信中就提到過單擺實驗。相傳在1582年，還是比薩大學學生的伽利略在一所教堂中留意到了晃動的吊燈，他用自己的脈搏對吊燈的擺動周期進行測量，發現無論吊燈擺動的幅度是大是小，它擺動一次的時間總是相等的。為了探究這個問題，伽利略將單擺簡化成斜面，設計了我們第一課講過的斜面實驗。現在，我們通過中學階段的物理知識就可以很好地描述理想情況下的單擺運動了。讓單擺進行往復運動的力其實是重力與細繩拉力的合力，當我們將小球拉到更高的位置，小球受到的合力會增大，小球的加速度也就越大。（有沒有想到我們講過的加速度定律？）雖然位置高，小球擺動的軌跡更長，但是更大的加速度讓小球擺動的周期可以永遠保持在一個固定值。

而在太空之中，這個問題反而會大大簡化。如果我們只是拉高小球，由于沒有任何力的作用，小球依然會在空中保持靜止不動。我們用力推動小球后，小球本該由于慣性而保持勻速直線的運動，但是細繩會一直拉扯小球，讓它無法繼續沿直線運動下去，而是繞著支架做起了圓周運動，此時細繩的拉力就為小球的圓周運動提供了向心力。向心力不是具有確定性質的某種類型的力，而是一種效果力，它可以是彈力、摩擦力、電磁力……所有物體在進行圓周運動的時候指向圓心的力，都是向心力。

所以，重力當然也可以作為向心力。我們向前扔出一顆石頭，石頭總會落在地上。如果你用力更大，石頭獲得了更大的速度，就會落在更遠的地方。你可能會想，如果石頭的速度足夠快，會不會環繞地球甚至飛出地球呢？在火箭發明以前，這個設想只能是個“理想實驗”，原因很簡單：人類創造不出如此巨大的速度，但是這個想法卻直接奠定了航天理論的基礎。最早進行這個理想實驗的人是牛頓，他設想了一架可以為炮彈提供非常大的速度的超級大炮，速度達到多少時可以讓炮彈永遠無法落到地面上呢？這個理想實驗后來被稱為“牛頓大炮”。牛頓分析發現，如果炮彈達到一定的速度，炮彈的重力正好等于向心力，炮彈就會環繞地球進行圓周運動。將重力公式G=mg和圓周運動速度公式F=mv2/R之間畫個等號，讓R等于地球的半徑，可以算出來這個速度的值為7.9千米/秒，這個值就被稱為第一宇宙速度。也就是說，如果航天器沿著地平線的方向發射，它的初始速度超過這個值并能保持速度，它就可以飛離地球。當一個物體在環繞地球運行的時候，運行軌道半徑R大于地球半徑，它所需要的速度v反而會更小。

所有的人造地球衛星、空間站，甚至是天體之間的繞行運動，本質上都是這個道理。在太空授課的畫面中，我們看到天宮二號空間實驗室內部是失重的狀態，但其實它在環繞地球的運行過程中，也受到地球重力的吸引，為什么空間站之中還是失重狀態呢？這就是因為地球的引力全部作為天宮二號圓周運動的向心力了！換句話說，天宮二號其實依然受到了地球的吸引，不過這個引力產生的加速度不在天宮二號的運行方向上，不會讓它加速也不會讓它減速，而是作用在與它運行方向垂直、指向地球中心的方向上，天宮二號其實是在不斷地“墜”向地球，但是又不斷被它向前運動的速度“拽”了起來，當“墜”的力和“拽”的力完全相等，天宮二號最終就沿著穩定的繞地軌道勻速飛行了。這種情況就像我們處在一個正在自由墜落的電梯里，盡管仍然會受到地球引力的作用，但也是可以體驗失重的。目前正在太空中運行的中國空間站，距離地面高度約400千米，飛行速度約7.68千米/秒，略小于第一宇宙速度。

同樣的道理，我們的地球以及其他正在進行圓周運動的天體，在形成之初就已經獲得了非常大的初速度，如果沒有外力影響，它們本應沿著直線無休止地運行下去，不過中心大質量天體的引力緊緊拉扯住了它們，為它們提供了向心力，就像太空實驗中的小球被細繩拉扯，就只能老老實實地轉圈圈啦！

你看，碩大如天體的運行規律，精密如航天器的發射運行，它們最基礎的理論依據，都是我們可以理解的力學原理呢！

下一個太空實驗中，王亞平為我們展示了失重環境下的陀螺儀，可別小瞧了這個東西，它可是大有用途呢！