太空科學(xué)課（二十六）

如果你一直都在關(guān)注天宮課堂，你一定對角動量這個物理概念很熟悉。在之前的太空科學(xué)課中，航天員們向我們展示了陀螺的定軸性、太空轉(zhuǎn)身、會調(diào)頭的扳手等實驗，講解了角動量守恒原理。而在天宮課堂第四課中，航天員們又為我們帶來了一場全新的角動量守恒實驗。

只見桂海潮拿出一個兩側(cè)帶有把手的圓環(huán)形陀螺，讓陀螺與自己都飄浮在空間站內(nèi)。實驗開始，桂海潮雙手握住手柄、左右旋轉(zhuǎn)陀螺，這時候他依然安靜地飄浮著，沒有出現(xiàn)什么特殊的現(xiàn)象。隨后，助教朱楊柱讓陀螺快速旋轉(zhuǎn)起來，桂海潮再用同樣的方式旋轉(zhuǎn)陀螺，右手輕壓、左手微抬，他的身體居然向左旋轉(zhuǎn)起來！而當(dāng)桂海潮抬手讓陀螺倒向另一側(cè)之后，他的身體又反過來向右旋轉(zhuǎn)了。

在之前的天宮課堂中，葉光富就給我們演示了類似的實驗——太空轉(zhuǎn)身。這兩個實驗其實是非常類似的，陀螺沒有旋轉(zhuǎn)的時候，與其他物體沒有區(qū)別，航天員對它施加作用力之后只會受到輕微的反作用力，不足以讓航天員的姿態(tài)發(fā)生變化。

而當(dāng)陀螺高速旋轉(zhuǎn)起來之后，情況就不一樣了，陀螺好像變得特別“固執(zhí)”，要改變它的狀態(tài)就不容易了。想了解這里面都發(fā)生了什么，我們需要重點了解一下角動量這個概念。在上一期的文章中，我們了解了什么是動量。與之相類似，旋轉(zhuǎn)的物體也具有一種旋轉(zhuǎn)的動量，稱之為角動量，它體現(xiàn)了一個物體旋轉(zhuǎn)運動能夠產(chǎn)生的作用效果的大小。例如隨手拿起你身邊的一本書，嘗試讓它在你的指尖上旋轉(zhuǎn)起來，這本書就具有了角動量。如果你多拿幾本書試試，還會發(fā)現(xiàn)一個簡單的現(xiàn)象：書越大、越重，就越不容易旋轉(zhuǎn)起來；旋轉(zhuǎn)起來之后，在轉(zhuǎn)速差不多的情況下，越大、越重的書也更不容易停下來。這說明了角動量的大小不僅和物體的質(zhì)量及旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，還和物體本身的大小有關(guān)。當(dāng)然，我用“大小”這個詞主要是為了方便你對角動量的理解，實際上角動量的定義和計算方法會復(fù)雜許多。

與動量守恒原理類似，角動量也遵守著守恒原則。簡單來說，當(dāng)一個系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)起來之后，如果沒有外力直接影響它的旋轉(zhuǎn)方向和速度，它就會保持原來的角動量不變。天宮課堂之前做過的陀螺定軸性實驗，本質(zhì)上也是這個原理，旋轉(zhuǎn)起來的陀螺飄浮在空中，航天員輕輕推動一下，雖然會讓陀螺移動，卻不會改變陀螺旋轉(zhuǎn)的速度與方向。

回到這一節(jié)的天宮課堂中來，不知道你有沒有發(fā)現(xiàn)，桂海潮拿著的是一個黃銅材質(zhì)的陀螺，看起來非常沉重。雖然空間站內(nèi)很難感受到重力，但是金屬材質(zhì)的陀螺旋轉(zhuǎn)起來之后也會產(chǎn)生很大的角動量。我們假設(shè)陀螺此時的角動量是L，而沒有旋轉(zhuǎn)的桂海潮的角動量是0。當(dāng)桂海潮嘗試改變陀螺的方向的時候，他就與陀螺構(gòu)成了一個整體，他用雙手轉(zhuǎn)動陀螺，陀螺的角動量就發(fā)生改變了，也就是在這個L之上又加上了一個L’，這個時候角動量守恒定律就要跳出來抗議了：“我可是要保持不變的，你居然想讓我發(fā)生變化，那我就要讓你變回去！”

于是，為了保持整體的角動量守恒，陀螺就會給航天員一個反方向的L’，因為這樣整體的角動量就是L+L’-L’=L，又恢復(fù)守恒了。只是我們的航天員，反而多了一個角動量-L’，于是他轉(zhuǎn)起來了！

嚴(yán)格來說，正在轉(zhuǎn)動陀螺的桂海潮，他所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)該是與陀螺發(fā)生變化的方向相反的——陀螺順時針轉(zhuǎn)動，桂海潮就會逆時針向身體的一側(cè)栽倒，只是這種運動需要的角動量比較大，而桂海潮轉(zhuǎn)身需要的角動量比較小，所以還沒等他栽倒，我們就先看到他在太空轉(zhuǎn)身了。

對了，咱們之前講過的葉光富通過旋轉(zhuǎn)手臂來實現(xiàn)太空轉(zhuǎn)身的實驗，其實和這個實驗的原理完全一樣呢！現(xiàn)在你對角動量守恒的理解更加深入了嗎？

角動量守恒原理在日常生活和太空中的應(yīng)用非常廣泛，最常見的就是通過高速旋轉(zhuǎn)的陀螺為交通工具導(dǎo)航，這就是陀螺儀。陀螺儀通常由多個陀螺組成，每個陀螺的旋轉(zhuǎn)面相互垂直。這些陀螺都在高速旋轉(zhuǎn)，具有的角動量非常大。只要交通工具改變運動方向或速度，陀螺儀中的陀螺就會對抗這種改變，并把受到的外力通過計算機反饋給導(dǎo)航系統(tǒng)，這就可以為輪船和飛機提供十分準(zhǔn)確的導(dǎo)航服務(wù)了。

在中國空間站中，角動量守恒有一項更重要的應(yīng)用，在講這項應(yīng)用之前，我們先來思考一個問題：空間站在太空中運行，我們肯定是希望它可以像飛機一樣，沿著水平的方向向前飛行的，可是由于微流星的撞擊、稀薄空氣帶來的阻力、地球的阻力等因素，還有飛船對接、艙段轉(zhuǎn)運等操作，它飛行的姿態(tài)難免發(fā)生變化（可能會側(cè)著身飛行或者抬著頭飛行），時間久了，空間站就要偏航了，那如何調(diào)整空間站的姿態(tài)呢？

你可能已經(jīng)想到了通過推進裝置來解決這個問題。沒錯，我們可以為空間站安裝一些推進裝置，當(dāng)空間站的姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，我們就沿著偏向的方向用推進器來噴氣，這樣，噴氣所產(chǎn)生的反作用力就可以把飛船推回正確的方向上。

這個方法簡單方便，但是也有一個大問題，那就是太貴了！想要獲得足夠的反作用力，推進器就需要通過消耗燃料來噴出大量的氣體，送一點點物品上太空都需要很高的發(fā)射成本，更何況寶貴的燃料需要用來維持空間站的日常運行以及應(yīng)對突發(fā)狀況，怎么可以輕易消耗呢？于是，工程師們想到了另一個辦法，那就是利用角動量守恒定律。

空間站姿態(tài)發(fā)生偏移，不就是發(fā)生了旋轉(zhuǎn)嗎？如果我們在空間上安裝一個陀螺，通過它來產(chǎn)生巨大的角動量，空間站不但不容易被各種因素“帶偏”，還可以自行調(diào)整姿態(tài)。中國空間站就采取了這個辦法，工程師們在天和核心艙外側(cè)安裝了六個被叫作控制力矩陀螺的大陀螺。這些陀螺通過太陽能電池帶來的電能高速旋轉(zhuǎn)，進而產(chǎn)生了巨大的角動量。當(dāng)空間站姿態(tài)發(fā)生偏移或者需要調(diào)整姿態(tài)的時候，航天員會主動控制這些大陀螺。和正在轉(zhuǎn)動黃銅陀螺的桂海潮一樣，陀螺也會反過來讓空間站發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而就實現(xiàn)了空間站姿態(tài)的調(diào)整啦！

到這里，天宮課堂第四課的實驗部分就結(jié)束了。下一期，我們再一起觀看趣味橫生的天地互動環(huán)節(jié)吧。