科學有魅力！太空“網課”再開講

　　天宮課堂里的實驗

　　你想復習一遍嗎

　　12月9日，同學們迎來了期待已久的太空授課。神舟十三號乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在空間站進行太空授課。時隔8年，大家有幸再一次看到航天員的太空“網課”，體驗到科學的無限魅力。

　　在這次的太空課中，王亞平再現了經典場面：永遠旋轉的陀螺和漂在空中的水球。當然，我們也看到了更多的神奇畫面：乒乓球在水中的浮力消失，紙花在水球表面綻放，泡騰片在水球中產生大量的氣泡……

　　那么，這些太空中的實驗現象背后都是什么科學原理呢？本期我們邀請杭二中物理老師王愷來為大家解讀。

　　太空轉身，為啥轉不過來

　　在“天宮課堂”上，航天員葉光富在太空中表演了如何行走，但在轉身時卻怎么都轉不過來，這讓很多同學捧腹大笑。

　　大家肯定很納悶，平時在地面上非常容易的走路和轉身，為何到了太空里竟然那么艱難？尤其是轉身的動作，葉光富“失敗”了好幾次，而且每次他扭轉上身，下身就會不由自主往另一個方向扭過去，這又是為何？

　　王愷說，我們在地球上之所以能輕松前進和轉身，是因為地面有摩擦力。而失重狀態下飄浮在空中的航天員沒有了摩擦力的幫助，轉動身體自然就變得很困難。因為此時，航天員的角動量守恒，所以當上半身向左轉動，下半身就會向右轉。

　　不過，航天員可以通過轉動手臂使身體轉動，這是因為整體的角動量守恒。

　　在我們的生活中，角動量守恒也有很多體現。

　　比如，大家是否注意過，一架普通的單旋翼直升機的尾部，都有一個側向旋轉的螺旋槳。如果沒有這個螺旋槳，主機翼高速轉動就如同航天員轉動的手臂，會使得直升機主體反方向轉動。而尾翼螺旋槳則可以對直升機產生等大反向的作用，從而保持直升機具有穩定的飛行姿態。

　　乒乓球為何逃不出“水心”

　　在我們生活的地球上，一只乒乓球放入水中會很自然地浮起來。如果同學們會游泳，在水中也能明顯感覺到水給我們身體的浮力。

　　但是，液體浮力在太空中卻消失了。這次太空課里，王亞平給我們演示了乒乓球像一個蛋黃一樣安靜地呆在水里，完全不會浮起來。

　　為什么太空里沒有浮力了呢？原來，處在液體中的物體所受浮力的來源是上下表面的壓力差。液體深度越大，壓力就越大，它的根本原因是液體受到重力作用。下部的液體需要給上部液體提供支持力，才能平衡上部液體的重力。

　　既然浮力產生的原因就是因為有重力，那么在太空中，處于失重狀態下的液體自然就沒有浮力了。

　　水膜是怎么讓紙花綻放的

　　在“天宮課堂”上，王亞平還用一朵女兒做的紙花，給大家展示了神奇的水膜張力——紙花在水球的表面綻放了！

　　液體會有減小表面積的傾向，這種作用力被稱為“表面張力”。在失重環境下，表面張力可以維持液體的形狀，不會散開，并且趨向于球形。這是因為，相同的體積下，球體表面積是最小的。

　　所以，在王亞平做的實驗中，那個還沒有形成正球體的水泡逐漸變得越來越圓。當我們把一朵紙花貼在水面上， 它就隨著鼓起來的水球慢慢“綻放”了。

　　在生活中也可以在一種叫“超疏水”的表面上觀察到球形的水滴。

　　比如，荷葉表面就是超疏水表面。荷葉能“出淤泥而不染”，正是因為它表面特殊的材質使得水滴在上面接近球形，并且很容易滾落。還有一種能在水上快速移動的小蟲，叫水黽，它們能“水上飄”，也是利用液體的表面張力。

　　透過水球，人怎么就倒過來了

　　水球在失重環境下由于表面張力的作用保持形態，并且由于其折射率和空氣不同，從而使得光線在穿過時產生折射，形成匯聚效果，這就形成了一個凸透鏡。

　　兩倍焦距以外的物體在穿過凸透鏡后看來就呈現倒立的像，所以我們可以看到，王亞平和葉光富之間的那個水球，會讓眼中的彼此呈現一正一倒的視覺效果。

　　其實，我們可以在地面上用透明的水瓶裝滿水模擬這個實驗：在一定距離外，透過水瓶所看到的世界是顛倒的。

　　在水球中注入空氣球形成“雙重人像”的實驗有很高的操作難度。由于失重，空氣球不會因為受到浮力而移動。在注入空氣球后，由于空氣球的半徑更小，水球的半徑更大。若透過水球中的空氣球觀察物體，空氣球前后的水相當于形成了兩片凹透鏡，使得光線穿過時發散，從而可以觀察到正立、縮小的物體。在一定距離外，透過近視眼鏡片也可以觀察到類似的現象。

　　泡騰片的泡泡竟然沒“亂跑”

　　泡騰片是生活中常見的物品，同學們能夠很容易自己開展實驗。這次太空實驗中，泡騰片在水中溶解后發生化學反應產生二氧化碳氣泡，但由于失重，大部分的氣泡停留在液體球中，只有極少部分的小氣泡由于速度較快脫離水球，并且釋放出香味。

　　看完這堂“網課”的直播后，記者還收到了兩位同學提出的問題：在無重力的情況下，泡騰片扔進水里會不會又自己漂出來了？在無大氣壓強的環境中，泡騰片的氣泡還會升上水面破裂嗎？

　　對此，王愷老師說，泡騰片扔進水里在初速度不快的情況下是不會漂出來的，這也是液體表面張力的結果，“可以看到視頻中裝在杯子里的水不會散得到處都是，也是這個原因。”

　　因為在沒有重力的情況下，泡騰片的氣泡不會升上水面；但是如果沒有大氣壓強，處于真空狀態，水會直接沸騰變成水蒸氣，“液體的沸點是和氣壓有關的，氣壓越低，沸點越低。這就是為什么高原地區很難煮熟飯，有時需要使用高壓鍋來烹飪。”

　　在看“天宮課堂”時，同學們可能注意到了，空間站里的航天員們看上去都“圓潤”了不少，這是為什么？原來，失重環境會導致航天員的血液分布和地面不同，下肢的血液上涌，就像是倒立時一樣。所以，航天員就會顯得“圓潤”了些。

　　記者 鄭琳