“天宫课堂”第四课

李忠东

2023年9月21日下午15时45分，随着航天员景海鹏“同学们好，我们一起开始一场探索之旅吧”的开场自，“天宫课堂”第四课拉开了序幕。这节太空课由中央广播电视总台面向全球现场直播，时长约48分钟，采取天地互动方式进行。

介绍梦天实险舱

在课堂中，神舟十六号航天员桂海潮和朱杨柱介绍了梦天实验舱，给大家展示了两相系统实验柜、超冷原子物理實验柜、流体物理实验柜、在线维修装调操作柜、燃烧科学实验柜，以及高温材料科学实验柜等实验装置，简要介绍了它们的特点与用途。

3位航天员还展示了舱内锻炼器材，比如抗阻锻炼装置，专用于航天员在轨进行力量锻炼。

梦天实验舱是中国空间站的第三个舱段，也是第二个科学实验舱（第一个科学实验舱是问天实验舱）。

桂海潮告诉大家：“实验载荷区域可以开展流体物理、材料科学、燃烧科学、微重力物理科学的基础研究，同时还能探究在轨制造、新型能源推进等工程技术领域的前沿问题。”

球形火焰实验

3位航天员通力合作，演示了一组有趣的实验，让同学们大开眼界。

在球形火焰实验中，地面课堂的授课老师和空间站的桂海潮同时点燃了一根蜡烛，结果呈现出截然不同的火焰。

桂海潮解释说，地面蜡烛的火焰在竖直状态下呈锥形，是因为垃面上有重力作用，燃烧后热气上升，冷气下降，形成了浮力对流。而在空间站，不管蜡烛朝哪一个方向，它的火焰都近似球形，原因在于微重力环境使得加热的空气不会上升，只能慢慢扩散，向各个方向运动的趋势相同。此外，在空间站里，燃烧对流十分微弱，氧气的补充不如地面及时，因此蜡烛的燃烧没有地面充分，火焰的温度也会更低一些。

这个实验有助于理解重力对燃烧过程的重要作用。重力不仅影响燃烧产物的运动和排布，还对燃烧的热传导、质量扩散和喷射等过程产生影响。对微重力环境下的燃烧进行研究同样有重要意义，比如保障航天员人身安全和设备正常运行，再比如，可以帮助改进地球上的燃烧过程，提高能源利用效率和减少污染物排放等。

“乒乓球”实验

接下来的一场空间站“乒乓球比赛”别开生面。

朱杨柱和桂海潮使用普通球拍时，水球被牢牢粘在球拍上，但在换成毛巾贴面的球拍击打水球，水球不仅没有被吸住，反而弹起来，像真的乒乓球一样。

朱杨柱解释道：“这是因为除了表面张力使水球不容易破裂之外，毛巾的表面还布满了疏水的微绒毛。这种疏水结构的处理工艺在纺织工业很常见，大家穿的冲锋衣、速干衣，都使用了类似的工艺。”

此前在“天宫课堂”第三课上，航天员陈冬演示过毛细效应实验，笫二课也有液桥演示实验，这一系列实验都展示了流体现象的天地差异。在微重力环境下，液体特性会发生改变，这也意味着航天器燃料的流动性质与地面存在显著差异。

动量守恒实验

在微重力环境下，不同质量钢球的质心碰撞会产生什么现象？

这一次，朱杨柱和桂海潮在舱门挂上一米见方的标准网格布，以此为背景进行了实验表演。网格布上的小方格长与宽均是10厘米。朱杨柱将一颗质量500克、直径49.5毫米的实心钢球放到网格布前方中央，球悬浮在空中。桂海潮将一颗同样的钢球抛出，碰撞到悬浮的第一颗球，结果两颗球碰撞之后产生了动量交换。

两人随后拿出一颗100克重的小钢球，再次演示钢球碰撞。这一次，小钢球撞击大钢球之后，调转方向返回，大钢球则沿着小钢球初始的运动方向前进。反过来，大钢球碰撞小钢球时，小钢球随大钢球沿着同一方向前进。

桂海潮总结说，通过计算可以发现，刚才这些碰撞无论是接近于正碰，还是斜碰，都能够满足动量守恒。

又见陀螺实验

在神舟十号的天宫课堂上，王亚平曾用一个小陀螺演示了定轴特性，讲解了陀螺定向仪在精准测量航天器飞行姿态的重要作用。

在这次陀螺实验中，桂海潮双手持握一只大陀螺的两端，仅仅轻微改变手持能方向，便成功地带动自己的身体转动起来。这里面蕴含的物理知识便是关于物体的角动量：当陀螺静止时，它的角动量为零；而当陀螺高速自转时便拥有了巨大能角动量。

为什么要做这个实验呢？这和室间站的姿态改换有关。为了让同学们更好理解，桂海潮让大家想象他的身体就是空间站，两手和手中的陀螺是空间站上使用能特殊装置——控制力矩陀螺。原来，控制力矩陀螺高速自转具有非常大的角动量，改变它的方向就可以对空间站施加很大能力矩，从而改变空间站的姿态。