冰墩墩在太空走了直線

忙完冬奧會(huì)之后，“頂流”冰墩墩又在空間站“加班”。太空拋物實(shí)驗(yàn)演示了天地之間拋物區(qū)別。王亞手拿冰墩墩拋出，如果是在地面，冰墩墩一定會(huì)下墜，但在“天宮課堂”，正如王亞所說：“冰墩墩并沒有像在地面一樣下墜，而是沿著直線似勻速前進(jìn)。這和牛頓第一定律描述的現(xiàn)象相同。”

太空授課地面主課堂老師、北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)物理教師張健解釋，牛頓第一定律，又叫慣性定律，就是任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。

在地球上，人們被地心引力牢牢吸在地上，但空間站屬于微重力環(huán)境，冰墩墩沒有往下墜。張健解釋說，拋運(yùn)動(dòng)是中學(xué)物理知識(shí)中一個(gè)非常重要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同學(xué)們?nèi)粘Ｉ�活中對于這種現(xiàn)象司空見慣，但是在完全失重的情況下，拋運(yùn)動(dòng)到底遵循怎樣的規(guī)律，運(yùn)動(dòng)軌跡如何，老師常只能通過想象的方式讓同學(xué)們?nèi)ダ斫狻Ｋ�看到這次太空授課冰墩墩所演示的情況非常興奮，“這樣就能使學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到，在失重時(shí)物體拋的規(guī)律”。

實(shí)際上，拋運(yùn)動(dòng)的原理在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用非常廣泛。張健在黑板上畫了個(gè)半徑為R的球體，代表地球，地球上標(biāo)出一座高山。他說：“如果我們在高山上做拋實(shí)驗(yàn)的話，把物體拋出，它將落向地面，如果將物體拋出的速度變大，它將會(huì)落向更遠(yuǎn)的地方。如果拋出的速度足夠大，它有沒有可能不落回地面而成為環(huán)繞地球的一顆衛(wèi)星呢。”

這個(gè)想法最早由牛頓提出，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)，也被稱為“牛頓的高山大炮實(shí)驗(yàn)”。所謂實(shí)驗(yàn)，又稱為理想實(shí)驗(yàn)，指的是用一定的邏輯法則在頭腦中進(jìn)行物理問題研究的思維方式和研究方法。

這類實(shí)驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展的歷史中并不鮮見，張健舉例，伽利略通過理想斜面對接實(shí)驗(yàn)，幫助人們認(rèn)識(shí)了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；在廣義相對論中，愛因斯坦用理想升降機(jī)提出了強(qiáng)等效原理；海森堡提出的測不準(zhǔn)原理，也是利用了單電子衍射理想實(shí)驗(yàn)。

“基于邏輯法則和事實(shí)基礎(chǔ)開展的實(shí)驗(yàn)，對科學(xué)進(jìn)步起到了重要的作用。”張健說。

至于“牛頓的高山大炮實(shí)驗(yàn)”，則引出了第一宇宙速度等概念，成了發(fā)射人造衛(wèi)星、空間站的重要依據(jù)。

張健解釋，7.9千米/秒是第一宇宙速度，也是最小的火箭發(fā)射速度；如果拋出速度大到11.2千米每秒，就達(dá)到了第二宇宙速度，是脫離地球引力的最小發(fā)射速度，比如可以飛向火星；如果拋出速度大到16.7千米每秒，就達(dá)到了第三宇宙速度，這是飛出太陽系的最小發(fā)射速度。

其實(shí)，中國航天，就是這樣越走越遠(yuǎn)的。

“冰球”實(shí)驗(yàn)為無容器柜出場打前站

此次太空授課中，晶瑩的熱“冰球”實(shí)驗(yàn)給不少人留下了深刻的印象。實(shí)際上，這是最讓人捏把汗的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

過飽和乙酸鈉溶液被王亞從儲(chǔ)存袋里擠出，形成球體懸浮在空間站中，她手中的毛桿一碰小球，球體隨即開始結(jié)晶，變成了一個(gè)“冰球”的樣子。只是結(jié)晶過程放熱，王亞拿手碰了碰小球，告訴大家，其實(shí)它是熱的。

中國科技館中國空間站科創(chuàng)體驗(yàn)基地輔導(dǎo)員吳彥旻告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，這個(gè)實(shí)驗(yàn)對這個(gè)過飽和溶液的狀態(tài)要求比較高。

為啥容易失手還非要選這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀繀菑�旻透露，這是為了引出葉光富展示的“寶物”——無容器材料實(shí)驗(yàn)柜。他幽默地說，授課專家打了一個(gè)非常形象的比方，把這個(gè)實(shí)驗(yàn)柜比作西游記里太上老君的煉丹爐。

吳彥旻介紹，通常熔煉物質(zhì)都需要使用容器承載材料，就是坩堝，往往因此會(huì)引入雜質(zhì)，在材料凝固過程中，會(huì)受容器影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

“無容器”就是不用容器承載，使物體在懸空的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)熔煉的過程。再回頭看亞老師的實(shí)驗(yàn)，溶液球飄浮在空中，這次并沒有使用固水環(huán)，和地面最大的不同是，材料在懸浮條件下完成了結(jié)晶變化。同樣沒有使用容器，“天宮課堂”還向大家展示了，無容器柜用激光加熱合金小球到熔融狀態(tài)以及再輝現(xiàn)象。

“容器對材料的生長影響還是挺大的，因?yàn)樵诓牧仙�長的過程中容器的形狀，它表面的結(jié)晶度，表面的粗糙度，對材料的晶格結(jié)構(gòu)、缺陷、純度都是有很大影響的。”中科院物理研究所研究員魏紅祥進(jìn)一步解釋，特別是一些多元的合金，比方說兩元或三元合金，由于它的濃度不一樣，在地面上做的時(shí)候它會(huì)分層，在微重力環(huán)境下，它這方面的影響沒有了，如果再把容器的影響去掉的話，就有可能長出純度更高、結(jié)晶度更高、結(jié)晶更好的材料。

太空水油分離基本靠“甩”

在地面上，受重力影響，密度不同的水和油會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。而在太空中，水和油分離的現(xiàn)象顯然不同。王亞老師將裝有水和油的小瓶用力搖晃后，水油并沒有分層，而是依然混合在一起，直到葉光富老師的“人工離心機(jī)”啟動(dòng)，才將水和油成功“甩”分層。

太空的微重力環(huán)境怎么來的？人們的第一感覺是去了太空當(dāng)然就失重了，地球引力夠不到了，真的是這樣嗎？

吳彥旻笑著回答：“咱可能小瞧地球大大的能力了。”他算了一下，空間站離地的高度大約400公里，這個(gè)是重力加速度的計(jì)算方法，分母就是地球半徑的方，計(jì)算得出，空間站軌道高度的重力水并沒比地面低太多，大約是地面重力水的88.5%。

那到底是什么原因呢？吳彥旻解釋，空間站微重力的成因和它的飛行速度有關(guān)，目前公布的天宮空間站的飛行速度是7.68公里每秒，差不多是步槍子彈速度的10倍。這么快的速度如果沒有什么力量拉著，那妥妥地就飛向宇宙了。此時(shí)尚存的88.5%的重力正好提供了一個(gè)恰到好處的向心力，保證空間站既沒有飛離也不會(huì)墜落，它老老實(shí)實(shí)地圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。

那為啥都要說微重力，而不是零重力呢？吳彥旻說，首先，地球不是一個(gè)理想的均勻球體，本身形狀就不是，各部分的密度也不一樣。它拉扯空間站的力道就有波動(dòng)。其次，受空間站機(jī)動(dòng)能力和稀薄大氣的影響，空間站也很難做到速度恒定。此外，空間站是個(gè)復(fù)雜的機(jī)器設(shè)備，上面有各種儀器在運(yùn)動(dòng)，航天員每天還有大量的運(yùn)動(dòng)處方任務(wù)要完成。他說：“把空間站的環(huán)境描述為微重力是非常準(zhǔn)確的說法。”

“液橋”實(shí)驗(yàn)操作簡單原理高深

相比其他實(shí)驗(yàn)，“液橋”實(shí)驗(yàn)操作起來比較簡單，這個(gè)看似簡單的實(shí)驗(yàn)是怎么被選上天的呢？

王亞在太空用水搭起一座“橋”，相比于地面主課堂上同學(xué)們手里微小的液橋，她在空間站中的液橋可謂巨大。“天宮課堂”授課專家組成員、中國科技館科普講師團(tuán)副團(tuán)長、北京交通大學(xué)副教授陳征揭秘，“天宮課堂”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有三條基本原則。

陳征說：“第一是安全，不能危及空間站的運(yùn)行，不能有任何的安全隱患。第二，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象要和地面有明顯的差異，地面上完全不可能隨便拿一杯水就能做出一個(gè)液橋的。第三是方便航天員的操作，不要給航天員太多額外的負(fù)擔(dān)。這幾方面液橋?qū)嶒?yàn)都很符合，所以就把它作為太空授課中的一個(gè)內(nèi)容了。”

此外，看似簡單的液橋?qū)嶒?yàn)其實(shí)并不簡單。陳征解釋，在大學(xué)教師看來，關(guān)于液橋已經(jīng)不再僅討論表面張力，而是需要讓同學(xué)們關(guān)心物質(zhì)的流動(dòng)和能量的交換。

物理學(xué)界流傳著一個(gè)故事，著名理論物理學(xué)家沃納·海森堡臨終前曾說：“當(dāng)我見到上帝后，我一定要問他兩個(gè)問題——什么是相對論，什么是湍流。我相信他只對第一個(gè)問題應(yīng)該有了答案。”著名科學(xué)家理查德·費(fèi)曼稱湍流為“經(jīng)典物理學(xué)中最后一個(gè)尚未解決的重要問題”。

陳征說：“空間站可以最大限度擺脫地面重力影響研究流體，給今天的物理學(xué)家創(chuàng)造了最好的探索條件。”

在太空授課過程中，“天宮課堂”地面主課堂授課教師、北京市第十三中學(xué)物理教師李曉彤和學(xué)生們同步做了液橋?qū)嶒?yàn)，她說：“同學(xué)們特別喜歡，覺得很神奇。”

事實(shí)上，正如陳征所想，小小的液橋一頭拉住了正在勤奮讀書的孩子，一頭拉住了星辰大海的夢想。