科学有魅力!天宫讲堂里的尝试 你想温习一遍吗

  科学有魅力!太空“网课”再开讲

  天宫课堂里的实验

  你想复习一遍吗

  12月9日,同学们迎来了期待已久的太空授课。神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在空间站进行太空授课。时隔8年,大家有幸再一次看到航天员的太空“网课”,体验到科学的无限魅力。

  在这次的太空课中,王亚平再现了经典场面:永远旋转的陀螺和漂在空中的水球。当然,我们也看到了更多的神奇画面:乒乓球在水中的浮力消失,纸花在水球表面绽放,泡腾片在水球中产生大量的气泡……

  那么,这些太空中的实验现象背后都是什么科学原理呢?本期我们邀请杭二中物理老师王恺来为大家解读。

  太空转身,为啥转不过来

  在“天宫课堂”上,航天员叶光富在太空中表演了如何行走,但在转身时却怎么都转不过来,这让很多同学捧腹大笑。

  大家肯定很纳闷,平时在地面上非常容易的走路和转身,为何到了太空里竟然那么艰难?尤其是转身的动作,叶光富“失败”了好几次,而且每次他扭转上身,下身就会不由自主往另一个方向扭过去,这又是为何?

  王恺说,我们在地球上之所以能轻松前进和转身,是因为地面有摩擦力。而失重状态下飘浮在空中的航天员没有了摩擦力的帮助,转动身体自然就变得很困难。因为此时,航天员的角动量守恒,所以当上半身向左转动,下半身就会向右转。

  不过,航天员可以通过转动手臂使身体转动,这是因为整体的角动量守恒。

  在我们的生活中,角动量守恒也有很多体现。

  比如,大家是否注意过,一架普通的单旋翼直升机的尾部,都有一个侧向旋转的螺旋桨。如果没有这个螺旋桨,主机翼高速转动就如同航天员转动的手臂,会使得直升机主体反方向转动。而尾翼螺旋桨则可以对直升机产生等大反向的作用,从而保持直升机具有稳定的飞行姿态。

  乒乓球为何逃不出“水心”

  在我们生活的地球上,一只乒乓球放入水中会很自然地浮起来。如果同学们会游泳,在水中也能明显感觉到水给我们身体的浮力。

  但是,液体浮力在太空中却消失了。这次太空课里,王亚平给我们演示了乒乓球像一个蛋黄一样安静地呆在水里,完全不会浮起来。

  为什么太空里没有浮力了呢?原来,处在液体中的物体所受浮力的来源是上下表面的压力差。液体深度越大,压力就越大,它的根本原因是液体受到重力作用。下部的液体需要给上部液体提供支持力,才能平衡上部液体的重力。

  既然浮力产生的原因就是因为有重力,那么在太空中,处于失重状态下的液体自然就没有浮力了。

  水膜是怎么让纸花绽放的

  在“天宫课堂”上,王亚平还用一朵女儿做的纸花,给大家展示了神奇的水膜张力——纸花在水球的表面绽放了!

  液体会有减小表面积的倾向,这种作用力被称为“表面张力”。在失重环境下,表面张力可以维持液体的形状,不会散开,并且趋向于球形。这是因为,相同的体积下,球体表面积是最小的。

  所以,在王亚平做的实验中,那个还没有形成正球体的水泡逐渐变得越来越圆。当我们把一朵纸花贴在水面上, 它就随着鼓起来的水球慢慢“绽放”了。

  在生活中也可以在一种叫“超疏水”的表面上观察到球形的水滴。

  比如,荷叶表面就是超疏水表面。荷叶能“出淤泥而不染”,正是因为它表面特殊的材质使得水滴在上面接近球形,并且很容易滚落。还有一种能在水上快速移动的小虫,叫水黾,它们能“水上飘”,也是利用液体的表面张力。

  透过水球,人怎么就倒过来了

  水球在失重环境下由于表面张力的作用保持形态,并且由于其折射率和空气不同,从而使得光线在穿过时产生折射,形成汇聚效果,这就形成了一个凸透镜。

  两倍焦距以外的物体在穿过凸透镜后看来就呈现倒立的像,所以我们可以看到,王亚平和叶光富之间的那个水球,会让眼中的彼此呈现一正一倒的视觉效果。

  其实,我们可以在地面上用透明的水瓶装满水模拟这个实验:在一定距离外,透过水瓶所看到的世界是颠倒的。

  在水球中注入空气球形成“双重人像”的实验有很高的操作难度。由于失重,空气球不会因为受到浮力而移动。在注入空气球后,由于空气球的半径更小,水球的半径更大。若透过水球中的空气球观察物体,空气球前后的水相当于形成了两片凹透镜,使得光线穿过时发散,从而可以观察到正立、缩小的物体。在一定距离外,透过近视眼镜片也可以观察到类似的现象。

  泡腾片的泡泡竟然没“乱跑”

  泡腾片是生活中常见的物品,同学们能够很容易自己开展实验。这次太空实验中,泡腾片在水中溶解后发生化学反应产生二氧化碳气泡,但由于失重,大部分的气泡停留在液体球中,只有极少部分的小气泡由于速度较快脱离水球,并且释放出香味。

  看完这堂“网课”的直播后,记者还收到了两位同学提出的问题:在无重力的情况下,泡腾片扔进水里会不会又自己漂出来了?在无大气压强的环境中,泡腾片的气泡还会升上水面破裂吗?

  对此,王恺老师说,泡腾片扔进水里在初速度不快的情况下是不会漂出来的,这也是液体表面张力的结果,“可以看到视频中装在杯子里的水不会散得到处都是,也是这个原因。”

  因为在没有重力的情况下,泡腾片的气泡不会升上水面;但是如果没有大气压强,处于真空状态,水会直接沸腾变成水蒸气,“液体的沸点是和气压有关的,气压越低,沸点越低。这就是为什么高原地区很难煮熟饭,有时需要使用高压锅来烹饪。”

  在看“天宫课堂”时,同学们可能注意到了,空间站里的航天员们看上去都“圆润”了不少,这是为什么?原来,失重环境会导致航天员的血液分布和地面不同,下肢的血液上涌,就像是倒立时一样。所以,航天员就会显得“圆润”了些。

  记者 郑琳

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