王亚平太空实验中的科学原理
时间：2020-05-21 07:55:11 来源：达达文档网 本文已影响 人 
2013年6月20日，航天员王亚平在“天宫一号”讲授了一节课，在课堂上王老师一共做了五个精彩的实验。大家在观看这些实验时，一定会觉得很神奇，很热闹。可“热闹”背后的科学原理你弄清楚了吗？
先看热闹：王亚平首先展示了两支完全一样的弹簧秤，它们分别固定了两个不同质量的物体，结果两个弹簧平衡在同一位置，读不出所挂物体的重量。既然弹簧秤没有“反应”，那么在太空中又如何测人的体重呢？接着镜头转向“天宫一号”中的一台“体重测量仪”。聂海胜把自己固定在测量仪弹簧支架的一端，王亚平轻轻拉开支架，一松手，支架在弹簧回缩拉力的作用下快速回复原位，这时LED屏显示出聂海胜的体重是74千克。
再说原理：在地面上，挂在弹簧秤上的物体因为地球引力而产生了对弹簧向下拉的重力，这个重力可以让弹簧向下拉伸，我们就可以根据弹簧秤被接伸出的长度读出物体的“质量”，也就是说在地面上人的“质量”是通过“重力”间接体现出来的。太空中没有地球引力，物体处于“失重”状态，这时挂在弹簧秤上的物体不会产生使弹簧向下拉长的重力，弹簧长度没有变化，当然读不出物体的“质量”。太空测体重是用了“另一套办法”：王亚平先把“挂着”聂海胜的弹簧拉开，一松手，聂海胜会在弹簧的回缩拉力下快速回缩，在这个过程中弹簧的回缩拉力是可测的，算是“已知条件1”。再者，聂海胜回缩的“加速度”也是可以测定的，算是“已知条件2”，然后我们用（已知条件1）÷（已知条件2），这时候得到的商就得聂海胜的质量（体重）。即：体重=弹簧的回缩拉力÷加速度。原来，在太空中聂海胜的体重是个“商”，这个算法公式来源于牛顿第二定律。
先看热闹： T形支架上，细绳拴着一颗小钢球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平把小球拉升到一定高度后放手，小球并没有像在地面上那样往复摆动，而是悬停在了半空中。王亚平用手指轻推小球，小球开始绕着T形支架的轴心做圆周运动。
再说原理：在地面上，被细绳牵着的小球会受到地球引力的作用向下运动，并且下落的速度会越来越快，因为速度越来越快，所以小球向下的“冲力”就越来越大，当它下落到最低点的时候，小球的“冲力”就会大于“地球引力”，因为被细线牵着，所以这时候小球会在“冲力”惯性的作用下越过“最低点”，然后改变方向，向上“爬升”。在向上“爬升”的过程中，小球的速度会越来越慢，向上的“冲力”就越来越小了，当小球向上的“冲力”小于地球对它的“引力”时，它又会“掉头向下冲”，如此反复，就形成了“左右摆动”的状态。在太空中，地球对小球的引力已经消失，没有了引力向下“吸引”，又没有其他方向的力量推动，所以小球就悬停不动了。当王亚平轻轻推小球时，小球就得到了一个“推力”，而这个“推力”又没有其他“阻力”来干扰，所以“能量十足”，只轻轻一推，小球就会“拼命”地在细线的牵引下做圆周运动了。从理论上来讲，如果没有其他力来“阻止”，这个小球就会在推力的作用下“永远地旋转下去”。
先看热闹：王亚平取出一个红黄相间的陀螺悬放在空中。用手轻推陀螺顶部，陀螺就翻滚着飞向远处。接着，她又取出另一个陀螺，这次先让它旋转起来，且悬浮，再用手轻轻一推时，旋转的陀螺不再翻滚着飞走，而是保持着固定旋转姿态向前飞。
再说道理：旋转起来的陀螺有一个特别的性质，就是它的旋转轴能克服外力干扰，不会改变方向。在地面上，其实我们也能发现陀螺的这种“定轴性质”，比如陀螺在高速旋转的时候，它就成了一个“不倒翁”。但陀螺在地面上旋转时，它的旋转能量很快会被空气阻力和摩擦力所抵消掉，转速会很快减慢下来，其在旋转下才具有的“定轴性”就很快消失了，这就是陀螺在地面上旋转一会儿就倒下来的原因。在太空中陀螺可以“悬空旋转”，没有摩擦力和空气阻力等力量干扰其旋转，所以“发动”起来的陀螺可以“永远”高速旋转，有了这种长时间的高速旋转，陀螺的“定轴性”就体现得特别明显：无论王亚平给予什么方向上的推力来“干扰”，它都能保持原来的“轴向”旋转，不会翻滚。另一个没有旋转起来的陀螺，因为没有“定轴”，所以用手轻轻一碰，它就会前滚后翻，东倒西歪。
先看热闹：王亚平把一个金属圈插入饮用水袋中，慢慢抽出金属圈，竖起来，金属圈内就形成了一个竖直方向的水膜。晃动金属圈，水膜也没有破裂；往水膜表面挂上一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。
再说道理：液体表面存在一种“表面张力”——就是“水面”有被向内拉紧的力量。“水面”被表面张力拉紧后的结果是什么呢？结果是“水面”会变得和橡皮膜一样“结实”，在“橡皮膜”上挂个中国结，并不是什么难题。在地面上形成的“水膜”其实也像“橡皮膜”，只不过在地面上这种“橡皮膜”存在的时间特别短，所以等不到你挂上中国结它就自己爆了。为什么地面上的水膜存在的时间会很短呢？因为有地球引力的影响呀！因为存在重力，所以水膜上的“水”会很快沿着重力的吸引方向向下汇聚，水膜四周就会快速变薄，结果眨眼间就薄到“爆掉”了。在太空中，没有重力的向下吸引，水膜上的水不会朝着重力的方向汇聚，水膜就可以厚薄均匀地如一块“橡皮膜”一样长时间“坚厚”地存在，所以王亚平就有足够的时间在上面挂一个“中国结”。当然，在地球上“长时间”且“结实”存在的水膜也是有的，比如水平方向的水面，其实就是一个比较“结实”的水膜——你常会看到有些水生昆虫在水面上“行走自如”呐，你甚至可以在这样的水面上小心地放上一枚硬币而不会下沉。这也是液体的表面张力把水面变成了“橡皮膜”后的结果。也就是说，在地球上保持一个“水平水面”是可以的，但制作并保持一个“竖直方向”的水面就不容易了，水会“向下流”嘛。太空中，因为水也“失重”了，不会“向下流”，所以就可以制作成并长时间地保留一个结实的“竖直水膜”来挂中国结了。
先看热闹：接着王亚平做了第二个水膜，用饮水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快变成一个亮晶晶的大水球。再向水球内注入空气，水球内形成两个球形气泡，既没有被挤出水球，也没有融合到一起。最后，王亚平往水球里注入红色液体，红色慢慢扩散开来，把水球变成了一枚美丽的“红灯笼”。
再说道理：这个实验也是水的表面张力在“作怪”。在地面上向水膜上注水，因为重力向下“吸引”，所以水不会均匀地“挂在”水膜上，而会沿着地球吸引力的方向向下“流走”，是不会形成水球的。太空中不存在重力，所以注到水膜上的水不会向下“流走”，而是会均匀地分布在水膜上，越来越“厚”的水，在表面张力的作用下，“水面”会向“水的中心”拉紧，于是就形成了一个水球。注入水球的两个气泡的“表面”也被表面张力拉成了“橡皮膜”，这样两个气泡其实就有“橡皮气球”的属性，所以它们不会相互融合。又因为大的水球也像是一个“橡皮球”，所以里面的两个气泡也不会轻易“冲出来”。至于红色液体在水球里的扩散现象，这在太空中和地球上并没有太大的差异——在地球上，把一滴红墨水滴进清水里，也会出现同样的扩散现象，只不过因太空中没有重力，所以红墨水扩散的速度更快些而已。（编辑 孙世奇）
