天宮授課，讓科學炫在九天

○張學軍

2023 年9 月21 日15 時48 分，“天宮課堂”第四課如約而至，神舟十六號航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮在夢天實驗艙面向全國青少年進行了約48 分鐘的太空科普授課。本次課中的四個實驗都很精彩，特別是“奇妙乒乓球”和“又見陀螺”實驗。由于地面條件所限，我們對某些科學實驗可能領會不深，天宮課堂的演示讓我們豁然開朗。

【球形火焰實驗】

球形、偏藍的火焰讓觀眾大開眼界，天上、人間物象果然兩樣。（本刊今年第9 期《載荷專家在天上干什么》一文曾對太空燃燒作過詳細解釋。）

【動量守恒實驗】

兩個鋼球碰撞后的動靜轉化、移動方向變化清晰地演示了動量守恒理論：如果一個系統不受外力，或者所受外力的矢量和為零，這個系統的總動量保持不變。

【奇妙“乒乓球”實驗】

實驗內容：首先，朱老師用飲水袋制作了一個小水球，桂老師用一只普通的球拍擊打水球，水球粘在了拍上；接下來，桂老師制作了一個同樣的水球，兩人用包裹著干毛巾的球拍擊打水球，實現了太空對打。

實驗原理：表面張力使得水在微重力環境中能夠保持較穩定的球形狀態，所以太空中制作水球比較容易。當用普通乒球拍擊打水球時，由于球拍表面的膠皮具有一定的黏性，所以水球被粘在了球拍表面。而用裹著干毛巾的球拍擊打水球時，由于毛巾表面的微絨毛形成的微納結構具有較好的疏水性能，幫助球拍與水球分離。這樣，水球就可以被球拍彈開了。

實驗拓展：用干毛巾擦汗時，汗液被擠壓到了疏水結構下方的纖維空隙里，這就是毛巾不吸水卻能擦汗的道理。制造出毛巾所有的這種疏水結構在紡織工藝中很常見，沖鋒衣、速干衣等都運用了這種處理工藝。

知識點：

表面張力

處于界面的分子與處于本體內的分子所受的力是不同的。在水內部的水分子受到周圍水分子的作用力的合力為零。但在表面的水分子受到上層氣相分子對它的吸引力小于內部液相分子對它的吸引力，其合力方向垂直指向液體內部，結果導致液體表面具有自動縮小的趨勢，這種收縮力稱為表面張力。表面張力使得液體表面層猶如緊繃的橡皮膜，盡可能地縮小表面面積。球形是一定體積下具有最小表面積的幾何形體。因此，在表面張力的作用下，液滴總是力圖保持球形。雨滴形成露珠就是這個道理。

【又見陀螺實驗】

實驗內容：（1）桂老師雙手握住一個靜止的金屬陀螺，分別向左、向右改變陀螺的方向，他的身體姿態沒有發生明顯的改變。（2）讓陀螺快速旋轉起來，然后桂老雙手握住陀螺，向左、右改變它的軸向，此時，他的身體姿態被陀螺帶動，發生了改變。

知識點：

角動量

角動量是物理學中描述物體繞某一軸旋轉時的動量表現的概念，可以將其理解為物體旋轉的某種“慣性”。它是一種矢量物理量，具有大小和方向。物體的角動量大小和物體的質量、物體的旋轉速度以及物體與旋轉軸之間的距離有關。角動量的改變需要外在力矩，沒有外在力矩時角動量保持守恒，也就是轉動狀態保持不變。

實驗原理：當金屬陀螺靜止時，它的角動量為零。桂老師改變陀螺方向時，陀螺的角動量不變，幾乎不需要施加力矩，陀螺對他的手也幾乎沒有反作用力矩，所以桂海潮的身體姿態基本保持不變。當金屬陀螺快速自轉時，具有較大的角動量，此時桂老師再改變陀螺的軸向時，等于要改變陀螺的角動量，需要對陀螺施加一個力矩，相應地陀螺必然對他的手產生一個反作用力矩，從而帶動他的身體姿態發生變化。

實驗拓展：空間站在太空中轉身就是運用了同樣的原理。空間站上安裝了一種叫作控制力矩陀螺的特殊裝置。控制力矩陀螺在高速自轉，具有非常大的角動量，當改變陀螺的方向時，就可以對空間站施加很大的力矩，改變空間站的姿態。空間站裝有多個控制力矩陀螺，雖然總重量只有幾百公斤，卻能讓重達幾百噸的空間站在太空中實現輕松自如地轉身。當然，這種陀螺的重量、尺寸和轉速都經過了精確的設計和計算。

“飛天夢，永不失重，科學夢，張力無限。”2013 年6 月20 日神舟十號航天員首次太空授課，王亞平用以結尾的這句話至今仍在九天回響。一堂堂奇幻而嚴謹的空中科學課，激勵無數學子仰望星空，腳踏實地，弘揚航天精神，去擁抱星辰大海！